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Datenerhebung

Drohnen für die Forschung

Drohnen erweisen sich in der Forschung, im Umweltschutz und beim Einsatz für humanitäre Zwecke als überaus nützlich. Allerdings setzen rechtliche Bestimmungen solchen zivilen Anwendungen enge Grenzen.
Forschungsdrohne Tempest

Flügelspannweite 3,2 Meter, Reisegeschwindigkeit 75 Knoten – die "Tempest" (englisch für Sturm) wurde für den Flug in schweres Wetter konstruiert. Während eines Probeflugs im März darf sie allerdings unter einem tiefblauen Himmel surren. Unten am Boden lässt Maciej Stachura, Doktorand an der University of Colorado in Boulder, seine Fingerspitzen über den Bildschirm eines Tablet-Computers gleiten. Nach dem manuellen Start des Fluggeräts überträgt er die Kontrolle dem Bordrechner. Sollte ein Problem auftreten, steht Systemingenieur James Mack bereit, während Neeti Wagle, ebenfalls Doktorand, den Himmel mustert, um sicherzustellen, dass die Tempest nicht mit irgendetwas zusammenstößt.

Die Aufgabe der Tempest soll heute darin bestehen, einen Funksender ausfindig zu machen, der einen simulierten Notruf aussendet. Während sie über unseren Köpfen kreist, geht von ihrem gasbetriebenen Motor ein Geräusch wie von einem Rasenmäher aus. Es ruft uns den inoffiziellen Namen solcher Fluggeräte in den Sinn: Drohnen. In wissenschaftlichen Kreisen ist die Bezeichnung "unbemanntes Luftfahrzeug" (englisch: Unmanned aerial vehicle, UAV) gebräuchlicher.

Als gut 40 Minuten Flugzeit verstrichen sind, späht und lauscht das Team aus Boulder. Die Tempest ist zu einem fernen Fleckchen am Himmel geschrumpft. Nun mischt sich ein besorgter Unterton in Stachuras Stimme: "Sie macht ihre Sache nicht gut. Eigentlich sollte sie uns an diesem Punkt näher sein." Schließlich kehrt die Drohne um und orientiert sich zurück in Richtung des Funksenders. "Ah, jetzt kommt sie", sagt Stachura sichtlich erleichtert.

Forschungsdrohne "Tempest"
Forschungsdrohne "Tempest" | Die Drohne "Tempest" wurde in Colorado konstruiert, um Daten über schwere Stürme zu sammeln.

Zu ihrem wissenschaftlichen Einsatz kamen Drohnen auch über einen Umweg. Zuerst experimentierte die US-Weltraumbehörde NASA in den 1970er Jahren mit UAV, die speziell für Forschungen in großen Höhen gefertigt worden waren. Doch die unbemannten Flugzeuge fanden kaum Anklang. Drohnen mit erstklassigen Sensoren waren für Wissenschaftler zu kostspielig, und preiswerte Ausführungen versprachen keinen großen Nutzen. Doch im letzten Jahrzehnt sanken die Preise, und auch die Technik machte Fortschritte – vom bordeigenen Navigationssystem mit GPS bis hin zum miniaturisierten Autopiloten. Diese Entwicklungen reizten viele Forschergruppen, mit UAV zu experimentieren.

Bereits heute sind sie ein effizienter Weg, Daten zu sammeln, und sie ermöglichen wichtige Fortschritte in der Erkundung von Polarregionen, Vulkanen sowie der Tier- und Pflanzenwelt. "Sie sind dabei, eine unverzichtbare und revolutionäre Technologie zu werden", sagt Adam Watts. Er ist Ökologe an der University of Florida in Gainsville und hat jahrelange Erfahrung mit Drohnenflügen.

Indes behindern technische und rechtliche Hürden eine weiter gehende Nutzung. Forscher versuchen, die Eigenständigkeit, Manövrierfähigkeit und Lebensdauer der UAV zu erhöhen. Und besonders in den Vereinigten Staaten setzen ihnen Vorschriften strenge Grenzen, wenn es darum geht, wo und wie sie Drohnen einsetzen dürfen. Sollten sich diese Regelungen lockern – und es gibt Anzeichen dafür –, dann könnten fliegende Forschungsroboter in viel größerer Zahl in den Himmel aufsteigen.

Luftige Höhen

Die vom Militär zur Jagd auf Feinde eingesetzten Drohnen werden in den letzten Jahren zunehmend kritisch betrachtet, manche wurden aber auch schon wissenschaftlich genutzt. Die NASA führte mit einer von Northrop Grumman hergestellten "Global Hawk" Hurrikan- und Klimastudien durch. Diese Drohnen erreichen Höhen um 20 Kilometer und fliegen damit höher als herkömmliche Flugzeuge. Zwar erhielt die Weltraumbehörde die Drohne kostenlos von der US-amerikanischen Luftwaffe, aber interessierte Wissenschaftler müssen sich darauf einstellen, für ein solches Fluggerät 20 Millionen US-Dollar zu berappen – die Kosten für die nötigen Sensoren noch nicht eingerechnet.

Die meisten Forscher müssen sich mit erheblich kleineren und preiswerteren Systemen begnügen. Ein funkgesteuertes UAV mit starren Flügeln, wie die Tempest, ist für wenige tausend Dollar fertig erhältlich. Und ein mit vier Rotoren ausgestatteter "Quadrocopter" wird für nur 300 US-Dollar angeboten. Mit einigen Sensoren darauf, einem Autopiloten und einem billigen Rechner mit den nötigen Algorithmen haben Wissenschaftler bereits ein unbemanntes Flugsystem (englisch: unmanned aerial system, UAS).

Ungeachtet der technischen Unterschiede bei zivilen und militärischen Drohnen gibt es enge Verbindungen zwischen den damit durchgeführten Forschungsprogrammen, von denen beide Seiten profitieren. Viele der von den Universitäten mit UAV realisierten Projekte werden tatsächlich vom Militär teilfinanziert.

Vorerst konzentrieren sich die meisten mit Drohnen arbeitenden Forscher darauf, die Technik zu verbessern, um die Geräte beweglicher und autonomer zu machen und sie zur Arbeit in Gruppen zu befähigen. Die Eigenständigkeit einer Drohne erfordert eine Reihe von Algorithmen, um die Daten ihrer Sensoren zu interpretieren, ihren Kurs zu kontrollieren und um die von ihren Kameras erfassten Objekte zu klassifizieren. Und diese Rechenoperationen müssen in Echtzeit ablaufen – auf winzigen Rechnern mit geringem Gewicht, die während des Flugs auch noch in drei Dimensionen durchgeschüttelt werden.

Einen besonderen Themenschwerpunkt bildet die Navigation im Sichtflug. GPS-basierte Systeme können kaum mehr als drei Meter Auflösung erreichen, was für unbewohnte Landschaften ausreicht – nicht jedoch für Stadtgebiete oder den Einsatz innerhalb von Gebäuden: Die Entwickler möchten ihre Fluggeräte in erdbebengeschädigte Gebäude entsenden, um nach Überlebenden zu suchen. Dazu müssen die Drohnen schräg stehenden Balken, Elektroleitungen und geschlossenen Fenstern ausweichen. Dies erfordert ein komplexes Kamerasystem, Gyroskope und Beschleunigungsmesser. Nur so kann das Fluggerät herausfinden, wo es sich befindet und ob ihm Hindernisse im Weg stehen.

Ein Team um Ashutosh Natraj, jetzt an der Oxford University, hat Drohnen mit Fischaugenkameras ausgestattet und ihnen beigebracht, sich selbst zu "finden". Die dazu nötigen Rechenalgorithmen unterteilen das kreisförmige Gesichtsfeld in Himmel und Boden, identifizieren die Horizontlinie zwischen den beiden Bereichen und leiten daraus die Höhe und Orientierung der Drohne ab. Für Flüge innerhalb von Städten schreibt das Team Programme, die vertikale und horizontale Linien an Gebäuden sowie Straßenzüge erkennen und sich davon leiten lassen. So kann die Drohne nach oben, unten, vorwärts und rückwärts navigieren. Nachts orientiert sie sich, indem sie per Laser ein Muster auf ihre Umgebung projiziert.

Die kamerabasierte Navigation sei pfiffig, sagt Natraj, weil eine einzelne Kamera mehr hochwertige Informationen sammle als eine Anzahl teurer, schwerer Sensoren wie zum Beispiel Laserabstandsmesser. Auf diese Weise lässt sich vermeiden, dass viele Sensoren integriert werden müssen. Natraj entwickelt Systeme, welche die gesamte Bildverarbeitung an Bord des Hubschraubers durchführen, anstatt die Daten über Funk an einen separaten Rechner zu übertragen, der sie dann aufbereitet. Diese Arbeiten gehören zu einem auf drei Jahre angelegten Projekt zur Konstruktion von UAV, die eine medizinische Versorgung nach Naturkatastrophen gewährleisten.

Mit dem in Oxford durchgeführten Projekt hofft man, multiple UAV entwickeln zu können, die sich in Katastrophensituationen untereinander verständigen. Die auf solche Geschwader abzielende Forschung sei ein brandheißes Gebiet, sagt Hyunchul Shim, Leiter des Center of Field Robotics and Innovation, Exploration and Defense am Kore Advanced Institute of Science and Technology im südkoreanischen Daejeon. "Wenn du schnell gehst, dann gehe einsam – wenn du lange gehst, dann gehe gemeinsam", sagt er.

Das Datensammeln sowie Such- und Rettungsmissionen sind mit einer Gruppe von Drohnen schneller und wirksamer möglich. Sie können einen Datenpool erzeugen und für den Fall, dass eine Drohne versagt, Redundanzen bereitstellen. Allerdings macht die Nutzung mehrerer Drohnen die Angelegenheit komplexer. Gemeinsam müssen sie in der Lage sein, untereinander zu kommunizieren und kollektive Entscheidungen zu treffen.

Die Forscher streben auch an, die Lebensdauer der zumeist mit Gas oder Batterien betriebenen UAV zu verlängern. Um Gewicht und Kosten einzusparen, setzen sie oft sehr kleine Drohnen mit begrenztem Treibstoffvorrat ein, der nur kurze Flüge ermöglicht. Einige Gruppen arbeiten daran, die Batterien zu verkleinern, während andere die Drohnen so gewandt machen möchten, dass sie – ähnlich wie Vögel und Gleiter – Thermik und Windeigenschaften ausnutzen.

Roland Siegwart, Leiter des Labors für Autonome Systeme der ETH Zürich, beschäftigt ein Team, das solarbetriebene Flugzeuge entwickelt, die niemals landen müssen. "Ich nenne sie 'tieffliegende Satelliten'", scherzt er. Tatsächlich könnten sie sich im Vergleich zu Erdsatelliten als die besseren Datensammler erweisen, denn sie lassen sich steuern: "Sie können ein aktuelles Bild von Buschbränden liefern, Waldgebiete überfliegen, die illegal abgeholzt werden, oder in den Meeren nach Vermissten suchen", sagt Siegwart.

Videostars

Die an UAV arbeitenden Gruppen halten sich gegenseitig auf dem Laufenden, indem sie Videoberichte im Internet bereitstellen. Der größte "YouTube-Star" des Forschungsgebiets ist Vijay Kumar von der University of Pennsylvania in Philadelphia. Mit einer modifizierten Version des Vicon-Systems lenkt seine Gruppe innerhalb geschlossener Räume Quadrocopter. Das System erfasst Bewegungen und wird auch in Hollywood sowie bei Herstellern von Videospielen genutzt. Kumars Videos zeigen Drohnen, die – in engen Formationen fliegend – ein Kantholz transportieren.

Drohnen in Formation

Und in einem mehr als drei Millionen Mal abgerufenen Video spielen sie auf mehreren Instrumenten die Melodie der James-Bond-Filme. "Das Internet hat die Regeln verändert", sagt Shim. Und Siegwart ergänzt: "Es verbreitet die Informationen ein bisschen weiter und hilft so, gute Studenten zu werben."

James Bond lässt grüßen

Solche Nachwuchstalente tragen dazu bei, Drohnen immer wendiger und billiger zu machen. Somit bleiben die gesetzlichen Bestimmungen, die unbemannte Flüge beschränken, das größte Hindernis, wenn es um erweiterte Anwendungen in der Forschung geht. "Das ist noch immer eine wichtige Frage", sagt Siegwart.

Dies gilt besonders für die Vereinigten Staaten, wo es die Regelungen der Bundesluftfahrtbehörde FAA erschweren, Drohnen außerhalb von Gebäuden zu betreiben. Nur für Hobbypiloten ohne kommerzielle Interessen sind die Bestimmungen lockerer. "Wir benötigen eine Genehmigung, um hinaus auf den Campus zu gehen und etwas 15 Zentimeter hoch fliegen zu lassen", klagt Eric Frew, Leiter des Research and Engineering Center for Unmanned Vehicles an der University of Colorado in Boulder: "Es geht nach dem Motto: 'One size fits all.'"

Die in Washington D. C. beheimatete FAA fordert, dass angehende Drohnenbetreiber, die ihr Fluggerät draußen nutzen möchten, einen Antrag stellen und eines von zwei Zertifikaten für ihr Forschungsprogramm erwerben. Die Bewerbungen verlangen eine Vielzahl an Informationen. "Damit kann die FAA einschätzen, ob sich der Betrieb ohne Gefahr für andere Luftfahrzeuge, Menschen oder Eigentum am Boden durchführen lässt", heißt es beim Büro für Öffentlichkeitsarbeit der Behörde. Dementsprechend erteilt die FAA keine Zulassungen für Flüge in Städten oder anderen dicht besiedelten Gebieten. Des Weiteren begrenzt sie die Zulassungen auf ein 32 Quadratkilometer großes Gebiet. Wollte also das Team in Boulder die Tempest zur Jagd nach Stürmen über weite Landstriche fliegen lassen, so müsste es 59 Erlaubnisse einzeln beantragen.

Mit einer in der Regel innerhalb von 60 Tagen erteilten Zulassung darf eine Gruppe ihr Luftfahrzeug ein oder zwei Jahre lang während der hellen Tagstunden im genehmigten Gebiet aufsteigen lassen – sofern sie jedes Mal zuvor eine entsprechende "Notice to airmen" (NOTAM) abgibt, wodurch der Flug bei der FAA aktenkundig wird.

Jeder Flug setzt zudem einen zertifizierten Piloten voraus. Während des Probeflugs der Tempest im März war es Stachura, der die meiste Zeit des Tests damit verbrachte, auf die Kontrollanzeigen seines Tablet-Computers zu starren. Zudem fordert die FAA die Anwesenheit eines Beobachters, der nach möglichen Kollisionsgefahren Ausschau hält – und dass jemand den Funkverkehr des lokalen Flughafens überwacht.

Startverzögerungen

Eric Johnson befasst sich an der University of Georgia in Athens mit UAV und hat die Bestimmungen weltweit im Blick: "Verglichen mit den anderen Natostaaten ist es in den USA so ziemlich am schlimmsten." Doch solange es keine Unglücksfälle gibt, scheint Einigkeit darüber zu bestehen, dass die Regeln gelockert werden. Die im vorigen Jahr verabschiedete Modernisierungs- und Reformverordnung der FAA ruft das US-Verkehrsministerium dazu auf, bis Ende 2015 einen Plan zu entwerfen, der "die sichere Einbeziehung ziviler unbemannter Luftfahrtsysteme in den nationalen Luftraum" vorsieht.

Im Unterschied zu den USA, so Johnson, seien in Australien und Kanada die meisten Betriebsarten erlaubt – vielleicht deshalb, weil beide Staaten über große Lufträume und kleine Bürokratien verfügten. Salah Sukkarieh widmet sich an der University of Sydney in Australien der Robotik und intelligenten Systemen. Er sagt, dass hier das Arbeitsgebiet der unbemannten Luftfahrzeuge dank der liberalen Bestimmungen des Landes im Wachstum begriffen sei – ungeachtet der Tatsache, dass zur Finanzierung nur ein Bruchteil des Geldes bereit stehe, über das US-amerikanische Wissenschaftler verfügen.

Obwohl sich die meisten Drohnenforschungen darauf konzentrieren, die Eigenschaften der UAV zu verbessern, setzten sie einige Wissenschaftler für praktische Zwecke ein. Im März nutzte die NASA die kleine elektrisch betriebene militärische Drohne "Dragon Eye", um die giftige Gaswolke zu untersuchen, die der Vulkan Turrialba bei San José in Costa Rica ausgestoßen hatte. Die Drohne fotografierte die Wolke und entnahm Proben. Die Daten des dabei nachgewiesenen Schwefeldioxids verglich das Team mit Beobachtungen des Satelliten Terra und konnte so die weltraumbasierten Messungen eichen. Einen menschlichen Piloten in die Nähe des Vulkans zu entsenden, wäre zu riskant gewesen. Starke Aufwinde hätten ihn gefährdet, und die ausgestoßene Asche hätte die Motoren des Flugzeugs verstopfen können.

James Maslanik ist Experte für Fernerkundung an der University of Colorado in Boulder. Er beteiligte sich an zahlreichen Studien, in denen Drohnen seit dem Jahr 2000 die Beschaffenheit des Meereises in den Polarregionen untersuchten. Auch in diesem Fall drangen UAV in Gebiete vor, die für einen bemannten Flug zu gefährlich wären. "In der Arktis fliegen wir mit den Dingern 30 Meter über dem Eis, bei einer Windgeschwindigkeit von 150 Kilometern pro Stunde und einer Temperatur von minus 40 Grad Celsius", berichtet Maslanik.

Auf der entgegengesetzten Seite der Erde nutzten Forscher aus Boulder Drohnen, um atmosphärische Windströmungen zu messen, die vom antarktischen Plateau zur Terra Nova Bay herunterfließen. Solche Messungen könnten helfen, die Dynamik der Meereisbildung in der Umgebung der Antarktis zu verstehen, bei der sich dichtes Salzwasser bildet, das absinkt und dazu beiträgt, die globalen Meeresströmungen anzutreiben. "Niemand sonst hatte ein Flugzeug während des Winters da draußen, als die Winde am stärksten wehten, und konnte Daten aufnehmen, denn die Bedingungen waren einfach zu extrem", sagt Maslanik. "Die bislang gesammelten Daten zeigen unerwartet komplexe Windmuster mit heftigen lokalen Strahlströmen, die Meereis von der Küste wegtreiben und seine Bildung beschleunigen."

Auch Biologen beginnen damit, UAV für einzusetzen. In Indien nutzt der WWF Drohnen zur Suche nach Wilderern. Tom McKinnon ist pensionierter Ingenieur und Generaldirektor von InventWorks, einer in Boulder ansässigen Firma für Produktentwicklung. Er bestückt autonom fliegende Helikopter mit Netzen, um seltene mongolische Geier einzufangen. Sie erhalten anschließend Sender, so dass die Wissenschaftler ihre Bewegungen verfolgen können.

Für die Pflanzenforschung hat Sukkarieh ein System entwickelt, bei dem ein UAV mit starren Flügeln gemeinsam mit einem Helikopter fliegt. Das Tandem kann in unzugänglichen Gebieten wachsendes Unkraut ausfindig machen und mit Herbiziden besprühen. Und mehrere Forschungsgruppen bringen Drohnen bei, verschiedene Pflanzen zu unterscheiden, um Karten der Vegetation zu erstellen. Anstatt hochgezüchtete Nachweisgeräte zu kaufen, die das Gewicht und die Kosten erhöhen, schreibt Sukkariehs Team Programmcodes, mit denen das UAV die Vegetation klassifizieren und kartieren kann. Hierfür genügen dann ein GPS, eine Kamera und ein Trägheitsmesser, der Daten über die räumliche Lage des Luftfahrzeugs sammelt. Die Herausforderung, Kompromisse zwischen Sensorleistung und Gewicht zu finden, veranlasste Sukkarieh dazu, einfachste UAV-Systeme von der Pike auf zu konstruieren. Auf diese Weise näherte er sich den speziellen Aufgaben an, anstatt fertige Sensoren zu einem Luftfahrzeug zusammenzusetzen. "Wie wäre es, wenn die Flügel selbst Sensoren wären?", fragt er sich.

Forschern ohne Ingenieurwissen bieten jedoch auch die bereits verfügbaren UAV reichhaltige Möglichkeiten. Beispielsweise kaufte die schottische Behörde für Umweltschutz im Jahr 2012 eine Drohne der Schweizer Firma senseFly, um die Algenblüte in Flussmündungen zu erkunden – was zu Fuß nur schwer durchführbar wäre. Susan Steves, eine Wissenschaftlerin der Behörde, sagt: "Sie können sich mit dem Thema befassen und die Technik anwenden, ohne ein Experte darin zu sein."

Die besten Landungen gelingen indes mit Erfahrung. Als das Team der Universität in Boulder die Probeflüge mit der Tempest beendet, lässt Mack die Drohne sanft im Gras aufsetzen. UAV waren bereits sein Hobby, bevor er sich dem Forscherteam anschloss. Er hebt die Drohne mit einer Hand auf und trägt sie zum Kleinbus zurück.

Jeder ist entspannt, nachdem man während des 40-minütigen Testflugs kaum mehr zu tun hatte, als der Tempest zuzuschauen und den Frühlingstag zu genießen. Sollte dies die Zukunft der Feldforschung sein, dann sieht sie recht einfach aus. "Wenn alles richtig läuft, ist es ziemlich langweilig", räumt Stachura ein. "Weil es autonom ist – nicht wahr?"

Der Artikel erschien unter dem Titel: "Drones in science: Fly, and bring me data"

26. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 26. KW 2013

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