TEIL C

Elektro- und Solarfluggeräte

2022 (B)

Neue Einsatzbereiche

Die 2016 von Belinda Zhang gegründete chinesische Firma Shenzhen QYSEA Tech Co. LTD., die auf Forschung, Entwicklung, Herstellung und Verkauf von Unterwasserrobotern spezialisiert ist, stellt im Januar 2022 gemeinsam mit dem japanischen Telekommunikationsbetreiber KDDI bei einer Flugvorführung im Hakkeijima Sea Paradise in Yokohama die weltweit erste integrierte See/Luft-Drohne vor, die verschiedene komplexe Aufgaben erfüllen und Offshore- und Meeresoperationen modernisieren soll.

Obwohl Unterwasserdrohnen eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen können, kann es manchmal schwierig sein, sie an den ‚Tauchplatz‘ zu bringen. Das neues System soll Abhilfe schaffen, indem es eine Luftdrohne zum Transport und Einsatz einer Unterwasserdrohne verwendet.

Die Sea-Air Integrated Drone besteht aus einer von von dem japanischen Unternehmen Prodrone Co. Ltd. gebauten und Dank der mobilen Kommunikationstechnologie von KDDI aus großer Entfernung fernsteuerbaren Allwetter-Trägerdrohne, die in der Luft fliegen und auf dem Wasser landen und dort schwimmen kann, um dann den per Kabel verbundenen Unterwasserroboter FIFISH PRO V6 PLUS von QYSEA freizusetzen, der daraufhin abtaucht und seine jeweiligen Aufgaben erfüllt.

Damit kann der Bediener, ohne den Arbeitsort an Land verlassen zu müssen, Inspektionen mit visuellem Feedback in Echtzeit durchführen und mit einer Vielzahl von Probenahme-, Mess- und Manipulationswerkzeugen in Unterwasserumgebungen operieren. Ebenso kann die Drohne Wartungsaufgaben bei Offshore-Windkraftanlagen übernehmen – oder bei Aquakulturen zur Überwachung von Viehbestand und Ernten eingesetzt werden.

Im Jahr 2023 ist auf der Firmenseite das Konzeptmodell einer wasserfesten Drohne PD4-AW-AQ zu sehen, welche mit einer GoPro HERO5 ausgestattet ist, die bei der Landung auf dem Wasser Unterwasserbilder machen kann. Sie läßt sich für eine Vielzahl von Aufgaben einsetzten, vom Fischereimanagement bis zur Beobachtung des Wachstums von Korallenriffen. Zusätzlich zu den Kameras können optional Sensoren angebracht werden, so daß die Drohne auch für andere Arten von Einsätzen am Wasser geeignet ist, wie z.B. Tiefenmessungen.

Die Firma verweist auf einen Vorläufer aus dem Jahr 2018, als die Kajima Corp. mit einer ähnlich auf dem Wasser landenden Drohne namens SWANS die biologische Umwelt und die Topographie unter Wasser untersucht, um den Zustand von Korallen zu überwachen. Hierfür gibt es eine in der Kuppelöffnung an der Unterseite des Rumpfes montierte Kamera – sowie einen Ultraschallsensor, der die für die Bewertung des Korallenwachstums erforderliche Wassertiefe und Meerwassertemperatur messen kann.

Die o.e. Prodrone wiederum hatte im Jahr 2016 bereits eine Drohne mit Greifarmen vorgestellt (s.d.).

Im Kontext: Über eine weitere Drohne, die fliegen und und sogar selbst tauchen kann, wird im Mai 2022 berichtet. Diese Version ist von Lei Li von der Beihang University in Peking gemeinsam mit Kollegen des Imperial College London und der schweizerischen Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) entwickelt worden.

Die besonderen Fähigkeiten der Drohne beruhen auf zwei Eigenschaften. Zum einen sind die Rotoren so konstruiert, daß sie sich unter Wasser von selbst einfalten und so den Wasserwiderstand reduzieren, wobei sie sich während des Übergangs mit reduzierter Geschwindigkeit weiterdrehen. Dieser nahtloser Übergang macht es möglich, daß die Drohne ohne zu stoppen zwischen dem Betrieb in der Luft und unter Wasser wechseln kann.

Bei voller Leistung benötigt der Roboter nur 0,35 Sekunden um den Wasser-zu-Luft-Übergang zu vollenden, was sich auch in schneller Abfolge wiederholen läßt. In praktischen Tests werden so sieben Wechsel des Betriebsmodus innerhalb von nur 20 Sekunden erreicht.

Die zweite besondere Eigenschaft ist die Fähigkeit, sich an beliebige Oberflächen anzuheften und daran festzuhalten. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese glatt oder rauh sind oder sich gar bewegen. Erreicht wird dies durch einen hydrostatischen Saugnapf, der von der Saugplatte sogenannter Schiffshalter-Fische inspiriert ist, die sich damit an der Haut von Haien oder Walen anheften können – und die sowohl unter Wasser als auch an der Luft funktioniert.

Der Nachbau dieser Saugplatte besteht aus einer Haftplatte mit mehreren länglichen Kammern, die über bewegliche Haftlamellen verfügen. Bei der Landung auf einer Oberfläche geben die Lamellen nach und legen sich flach an den Untergrund an. Die Drohne verringert dann den Druck auf die Lamellen, so daß diese sich wieder leicht aufstellen und ein Unterdruck entsteht, durch den die Drohne an der Oberfläche haftet.

Dieser Prozeß wird durch eine hydrostatische Hafthilfe unterstützt, mit der Andruck und Winkel der Lamellen reguliert werden kann. Dank dieses Zusatzsystems kann die Drohne sich auch sehr schnell wieder vom Untergrund lösen, indem die Lamellen soweit aufgestellt werden, daß sie nicht mehr luftdicht abschließen und es zu einem Druckausgleich kommt.

Bei den Tests kann sich die amphibische Drohne an ein horizontales Dach oder bis zu 45° geneigte Flächen anheften. Und da die Haftvorrichtung großen seitlichen und längs gerichteten Kräften widerstehen kann, gelingt es der Drohne sogar, an einem schwimmenden Boot mitzureisen und Videoaufnahmen zu machen. Dabei sinkt der Energieverbrauch etwa um den Faktor 20 im Vergleich zum Betrieb mit eigenem Antrieb.

Aktuell kann die Drohne eine Tauchtiefe von etwa 2 m erreichen. Ab dieser Tiefe geht dann die Kommunikationsverbindung zur Oberfläche verloren. Die im Netz einsehbare ausführliche Studie trägt den Titel ‚Aerial-aquatic robots capable of crossing the air-water boundary and hitchhiking on surfaces‘.

Ebenfalls im Januar 2022 wird darüber berichtet, daß autonome Drohnen die ultimative Vogelscheuche für Tauben sein können, um diese schadlos zu vertreiben. Im Rahmen einer Studie hatte ein Team der Schweizer École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) zunächst eine wetterfeste Videokamera auf dem Dach des EPFL SwissTech Convention Center Installiert. Das Gebäude war bereits dafür bekannt, daß es viele Tauben anlockt, die das Dach mit Kot bedecken, der häufig abgewaschen werden muß.

Über einen Zeitraum von 21 Tagen wird dann aufgezeichnet, wie lange Tauben typischerweise auf dem Dach verweilen, wobei die Kamera mit Hilfe eines angeschlossenen neuronalen Netzwerks auch erkennen kann, wo und wie viele Tauben sich an bestimmten Punkten befinden.

Nach Ablauf der dreiwöchigen Frist kommt ein Parrot Anafi-Quadrokopter hinzu, der jedes Mal startet, wenn die Kamera Tauben auf dem Dach entdeckt und ihm deren Standort übermittelt. Das Fluggerät fliegt dann autonom in das Gebiet und schwebt dann an Ort und Stelle, um die Vögel zu vertreiben.

Innerhalb von fünf Tagen wird die Drohne insgesamt 55 Mal automatisch eingesetzt (auch wenn aufgrund der aktuellen Sicherheitsbestimmungen ein menschlicher Bediener jeden Start genehmigen muß). Anschließend wird festgestellt, daß die Verweildauer der Tauben auf dem Dach dadurch erheblich verkürzt wurde und sich auch die Zahl der überhaupt dort gelandeten Tauben verringert hat. Der veröffentlichte Artikel mit dem Titel ‚Autonomous Detection and Deterrence of Pigeons on Buildings by Drones‘ ist im Netz einsehbar.

Kontextbezogen ist eine Studie mit ähnlicher Thematik der Washington State University zu erwähnen, die im Juli 2022 erscheint: ‚Automated execution of a pest bird deterrence system using a programmable unmanned aerial vehicle (UAV)‘. Hier geht es darum, mittels autonomer Drohnen Vögel von Feldfrüchten zu verscheuchen, denn die Vögel fressen regelmäßig große Mengen davon und gewöhnen sich schnell an stationäre Geräte, die sie vertreiben sollen.

Bei dieser Studie werden rund um kleine Grundstücke Multikopter-Drohnen und Kameras installiert, deren Live-Ausgaben kontinuierlich von einem Bildverarbeitungsalgorithmus analysiert werden, der darauf trainiert ist, die Flügelschlagbewegung von Vögeln zu erkennen. Da es sich als schwierig erweist, eine ausreichende Menge an Vögeln bereitzuhalten, lassen die Forscher stattdessen Freiwillige, die auf dem Grundstücken unterwegs sind, die Schlagbewegung mit ihren Händen nachahmen.

Das System ist in etwa 92 % der Fälle in der Lage, diese Bewegungen zu erkennen und mit dem Einsatz einer Drohne zu reagieren, die bald darauf an der entsprechenden Stelle schwebt.

In früheren Studien, die von denselben Wissenschaftlern durchgeführt wurden, war bereits festgestellt worden, daß manuell gesteuerte Drohnen beim Vertreiben von Vögeln sehr effektiv sind. In einen Fall führt der Einsatz von Drohnen zu einer Reduzierung der Vogelzahlen in einem bestimmten Gebiet um das Vierfache, in einem anderen Fall lassen sich die Fruchtschäden auf Feldern, auf denen Drohnen zur Vogelabwehr eingesetzt werden, um 50 % reduzieren.

Die Forscher gehen jedoch davon aus, daß noch weitere Untersuchungen über mehrere Jahre erforderlich sind, insbesondere um festzustellen, ob sich Vögel mit der Zeit an die Drohnen gewöhnen.

Ende Januar 2022 erscheint ferner ein Bericht über Forscher der Universität Barcelona, die KI-gestützte Drohnen entwickelt haben, die von Menschen verursachten Strandmüll aus der Luft erkennen sollen. Die Idee ist, daß die Drohnen letztlich entlang von Küstenabschnitten fliegen und dabei selbständig die Positionen des angeschwemmten Mülls kartieren und weitergeben können, so daß sich die Beseitigungsbemühungen der menschlichen Arbeiter auf die Orte konzentrieren können, an denen sich die größten Mengen davon befinden.

Das Forschungsprojekt mit dem Bandwurm-Titel ‚Using Uncrewed Aircraft Systems, Machine Learning, and Polarimetric Imaging to Develop a System for Enhanced Marine Debris Detection and Removal‘ begann im Juni 2020 und läuft noch bis Ende Mai dieses Jahres. Es wird von Forschern der Oregon State University zusammen mit den National Centers for Coastal Ocean Science (NCCOS) der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) geleitet. Weitere Partner sind die Firmen ORBTL.AI und Genwest Systems Inc.

Das Team verwendet zunächst eine polarimetrische Kamera, die elektromagnetische Wellen abbildet, um an der Küste von Corpus Christi in Texas Videos sowohl von natürlichen als auch von Menschenhand geschaffenen Objekten aufzunehmen. Das Filmmaterial wird sowohl am Boden als auch von einem Hubschrauber der US-Küstenwache aus aufgenommen, der in der Höhe fliegt, in der die mit polarimetrischen Kameras ausgestatteten Drohnen fliegen werden.

Die Aufnahmen wird dann verwendet, um auf maschinellem Lernen basierende Algorithmen zu entwickeln, die in der Lage sind, Objekte aus synthetischem Material anhand der besonderen Art und Weise, wie sie polarisiertes Licht reflektieren, zu erkennen und zu klassifizieren. Natürliche Objekte wie Felsen und Vegetation reflektieren polarisiertes Licht auf eine andere Weise.

Das System wurde bereits entlang der Küste von Oregon getestet. Nun ist geplant, daß die Mitarbeiter des NOAA Marine Debris Program in diesem Sommer in seiner Bedienung  geschult werden, sobald es vollständig betriebsbereit ist.

Und was das Erkennen von schwimmendem Meeresmüll angeht, so haben die Forscher der Universität Barcelona schon im Vorjahr einen Algorithmus entwickelt, der Meeresmüll anhand von Luftbildern erkennen und quantifizieren kann, indem mehr als 3.800 Luftbilder des Mittelmeers vor der Küste Kataloniens analysiert und für das Training des Algorithmus verwendet wurden. Die Wissenschaftler hoffen, daß der Algorithmus von Drohnen eingesetzt werden kann, um die Meere autonom zu scannen und den Schaden zu quantifizieren.

Im März 2022 präsentiert der schwedische Hersteller Polestar, ein Joint Venture zwischen Volvo und der chinesischen Muttergesellschaft Geely, einen Sport-Roadster namens Polestar O₂, der hier erwähnt wird, weil das Cabrio mit festem Verdeck über eine Kamera-Drohne verfügt, die während der Fahrt aus ihrer Halterung hinter den Rücksitzen gestartet werden kann, um Aufnahmen von der Fahrt zu machen.

Die Drohne arbeitet autonom in einem von drei Flugfilm-Modi: sie folgt dem Konzeptfahrzeug automatisch bei Geschwindigkeiten von bis zu 90 km/h und filmt den Fahrer; im zweiten Modus fliegt die Drohne in weiten Bögen und nicht in scharfen Sturzflügen, was ein ruhigeres, stimmungsvolleres Gefühl erzeugt;  während dritte Modus die Passagiere während der Fahrt mit geöffnetem Dach aus nächster Nähe filmt.

Als Reaktion auf die positive Resonanz, die der 2+2-sitzige elektrische Roadster hervorruft, entscheidet sich das Unternehmen, ihn in Form des Polestar 6 LA Concept edition zu bauen – woraufhin innerhalb kürzester Zeit alle Exemplare der auf 500 Stück begrenzten, exklusiven Einführungsedition reserviert werden, die voraussichtlich im Jahr 2026 verfügbar sein wird. Der Richtpreis des Fahrzeugs liegt bei 200.000 $.

Über den erfolgreichen Einsatz von Drohnen, um Meteoriten aufzufinden, berichtet Seamus L. Anderson vom Space Science and Technology Center (SSTC) der Curtin University in Perth, Western Australia, im März 2022 (‚Successful Recovery of an Observed Meteorite Fall Using Drones and Machine Learning‘). Während es normalerweise Wochen dauert, um einen Meteoriten aufzuspüren, gelang dies mit Hilfe der Drohnentechnik und KI in nur vier Tagen.

Nachdem die Beobachtungsstationen des Desert Fireball Network des SSTC Anfang April 2021 im Osten Australiens ein Feuerball beobachtet hatten, ergab die Auswertung seiner Flugbahn mit 90 %-iger Wahrscheinlichkeit ein 5,1 km² großes Wüstenareal als Landungsort. Es war damit ein unmögliches Unterfangen, das Gebiet mit einem Freiwilligen-Team systematisch zu durchkämmen, um den kosmischen Stein im Wüstensand zu finden.

Damit ergab sich die Gelegenheit, das neu entwickelte System der Curtin University auszuprobieren, dessen neuronales Netzwerk mit Bildern echter Meteoriten trainiert worden war. Da Meteoriten durch die gewaltige Hitze beim Eintritt in die Atmosphäre eine glasartige Schmelzkruste entwickeln, sind sie dadurch gut von anderen Steinen zu unterscheiden.

Das Forschungsteam reiste mit zwei Drohnen in die Wüste – und ließ zuerst eine große DJI M300 Drohne das gesamte Untersuchungsgebiet nach einem festen Raster überfliegen und filmen, was etwa drei Tage erforderte. Anschließend wertete die KI die aufgenommenen Bilder aus, wobei die offensichtlich falsch-positiven Funde durch zwei menschliche Teams aussortiert wurden – so zeigte die KI beispielsweise eine Vorliebe für die lila-farbenen Blüten einer Wüstenblume und für Känguruhs.

Als nächste flog dann eine zweite, kleinere Drohne alle nicht offensichtlich falschen Ergebnisse an, während die Funde, die dann immer noch nach einem Meteoriten aussahen, durch Leute aus dem Team direkt in Augenschein genommen wurden. Nach vier Tagen war der Meteorit gefunden – er war einer der ersten, den die große Drohne gekennzeichnet hatte und der erste, der überhaupt von einer Drohne und KI gefunden wurde. Er lag unberührt im Sand, wog gerade einmal 70 g und lag nur 50 m von der Stelle entfernt, die die Computer des Desert Fireball Networt extrapoliert hatten.

Bei einem weiteren Einsatzfall, über die in diesem März berichtet wird, sollen bis zu 100 Drohnen in einer festgelegten Formation vom Boden abheben, um die Strömungen an Windenergieanlagen zu messen. Die Nutzung einzelner Drohnen zur Inspektion solcher Anlagen ist schon mehrfach erwähnt worden und gehört inzwischen zu den Standard-Angeboten der Branche. Hier geht es jedoch um mehr.

Bei dem neuen Forschungsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zur Turbulenzanalyse, das ordnungsgemäß einen entsprechenden Bandwurm-Titel hat (‚Exposing spatio-temporal Structures of Turbulence in the Atmospheric Boundary Layer with In-Situ measurements by a fleet of Unmanned Aerial Systems‘), der abgekürzt Establis-UAS lautet, sollen Turbulenzen und Abschattungen besser verstanden werden, die in einem Windpark unwillkommene Effekte sind, da sie für niedrigere Energieerträge und höheren Verschleiß an den Anlagen sorgen.

Windkraftanlagen erzeugen neben den schon vorhandenen Strömungen zusätzlich eigene Wirbel. Ein Ziel des Forschungsprojekts ist deswegen, ein Modell zu entwickeln, mit dem die Auswirkungen auf die Anlagen in der zweiten oder dritten Reihe deutlich werden. Vorab werden Versuche mit bis zu 20 der kleinen, besonders robusten Drohnen durchgeführt, um die Windeigenschaften, Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit hoher Auflösung zu messen.

Neben den Messungen an Windkraftanlagen sind Experimente im Windkanal der Universität Oldenburg und im zukünftigen Forschungspark Windenergie des DLR in Krummendeich geplant. Zwei weitere Meßkampagnen erfolgen im Rahmen der internationalen TeamX Initiative, die sich den komplexen Strömungen in der Grenzschicht des Gebirges widmet. Alle Experimente werden ergänzt durch numerische Simulationen. Letztlich soll ein umfassendes Modell für die Darstellung der turbulenten Strömung entstehen.

In diesem Kontext ist auch das vom Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) koordinierte und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK mit 1,3 Mio. € geförderte Projekt X-Wakes erwähnenswert, dessen Ziel die Erfassung der Veränderungen der Windbedingungen ist, die beim Ausbau von großflächigen Offshore-Windparkclustern zu erwarten sind – denn im Windschatten hinter den Anlagen entstehen Nachlaufströmungen (Wakes) mit geringeren Windgeschwindigkeiten und stärkeren Turbulenzen.

Auch hier werden von den Wissenschaftlern der Eberhard Karls Universität Tübingen mit Unterstützung des Testzentrums für Maritime Technologien des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) auf Helgoland bei einer zweiwöchigen Flugkampagne Drohnen eingesetzt, um die meteorologischen Meßdaten zu sammeln, auf deren Basis Modelle für künftige Ausbauszenarien entwickelt werden sollen.

Das Projekts ‚X-Wakes – Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht‘ läuft vom November 2019 bis zum April 2023, die weiteren Partner sind die Technische Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg (Zentrum für Windenergieforschung, ForWind), das Helmholtz-Zentrum Geesthacht und die UL International GmbH.

Ebenfalls im März 2022 teilt die Verwaltung der antiken Stadt Pompeji mit, daß sie derzeit den vierbeinigen Roboterhund Spot von Boston Dynamics und den autonom fliegenden Laserscanner Leica BLK2FLY einsetzt, um strukturelle und sicherheitsrelevante Probleme der weitläufigen archäologischen Stätte zu ermitteln, diese besser zu schützen und Raubgräber-Tunnel inspizieren zu können, die bis in die heutige Zeit in den Boden getrieben werden, um Teile der Stadt zu plündern.

Mit den autonom durchgeführten 3D-Scans der Anlage sollen die Zerstörungen besser festgestellt  und die Restaurierungsmaßnahmen überwacht werden. Die Einsätze mit der Laserscanner-Drohne und Spot, der als nächstes in die von Raubgräbern angelegten unterirdischen Tunnel geschickt werden soll, sind Teil des Projektes Smart@POMPEI, das eine intelligente, nachhaltige und integrative Verwaltung des Parks anstrebt.

Im Mai wird in den Blogs die Drohne Hera des 2017 von Quoc Luong gegründeten Bostoner Drohnenherstellers Realtime Robotics (RtR) vorgestellt, die es schon fast in die Rubrik der Lieferdrohnen schaffen könnte. Das Fluggerät, das selbst 15 kg wiegt, kann nämlich eine Nutzlast von ebenfalls bis zu 15 kg transportieren. Dabei ist die Drohne zusammengeklappt gerade einmal 55 x 34 x 22 cm groß und paßt somit in einen Rucksack. Die Firma bezeichnet ihre Hera als ‚Schweizer Armeemesser-Drohne‘.

Hera läßt sich beispielsweise mit mehreren Kameras bestücken, die unterschiedliche Frequenzbereiche abdecken und sich unbehindert um 360° schwenken lassen, da die Drohne keine Unterbauten hat. Ebenso läßt sie sich als Transportgerät für Hilfsgüter in unwegsamen Regionen nutzen.

Der Körper des Quadrokopters und seine Arme bestehen aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff und das Batteriepack liefert 29,4 Ah, was für eine Flugdauer ohne Nutzlast von fast einer Stunde reicht. Bepackt mit einer 2,6 kg schweren Kamera hält sich die Drohne noch 46 Minuten lang in der Luft.

Laut dem Unternehmen läßt sich Hera in weniger als einer Minute entfalten und kommt auf eine Reichweite von 11 km. Kommerzielle, industrielle und militärische Kunden können die Hera-Drohne bereits für 24.900 $ vorbestellen, die ersten Exemplare sollen bereits im August zur Auslieferung kommen.

In China wird im Mai 2022 ein autonomes Trägerschiff für Drohnen vom Stapel gelassen, das zur Meeresbeobachtung eingesetzt werden soll. Das Schiff mit dem Namen Zhu Hai Yun soll ohne Besatzung auskommen und maritime Überwachungsaufgaben etwa in den Bereichen Seenotrettung, Beobachtung der Meereswelt und Wartung von Offshore-Windparks übernehmen. Es kann mit einer Geschwindigkeit von maximal 18 Knoten (etwa 33 km/h) fahren. Ob es auch militärische Aufgaben durchführen wird, ist unklar.

Der Bau des 88,5 m langen, 14 m breiten und 6,1 m hohen Schiffes in der Huangpu-Wenchong-Werft konnte bereits nach zehn Monaten abgeschlossen werden. Bis Ende dieses Jahres soll zunächst die Seeerprobung abgeschlossen werden. Erst danach wird das Schiff einsatzbereit sein und an den chinesischen Staat übergeben.

Bei seinen künftigen Missionen wird es zunächst vom Land aus auf hohe See gesteuert werden, danach übernimmt die autonome KI-Steuerung mit der Bezeichnung Mobile Ocean Stereo Observing System (IMOSOS), die vom Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory entwickelt wurde. Mit an Bord sind dann mehrere Dutzend Drohnen sowie unbemannte Überwasserfahrzeuge, U-Boote und intelligente Bojen, die sich für alle Arten der Über- und Unterwasserbeobachtung eignen und im Verbund selbständig agieren können.

Hierzu paßt eine Meldung vom Juli, der zufolge Forscher der Chalmers University of Technology um Tomas Grönstedt ein vollautomatisches Drohnensystem für Such- und Rettungseinsätze entwickelt haben, das sich auf wasser- und luftgestützte Drohne stützt, die völlig autonom zusammenarbeiten und miteinander kommunizieren, um ein bestimmtes Gebiet zu durchsuchen, Behörden auf Menschen in Not aufmerksam zu machen und Hilfe zu leisten, bevor bemannte Rettungsfahrzeuge eintreffen.

Das schwedische Drohnensystem besteht aus drei Komponenten: Einem autonomen Katamaran-Prototyp namens Seacat, der als Basis für eine Flotte von fliegenden Drohnen dient, die die Umgebung überwachen, und einem Quadrokopter, der Lasten mit einem Gewicht von bis zu etwa 2 kg tragen und sich Menschen in Not nähern und ihnen Nahrungsmittel, Medikamente, Getränke und Schwimmhilfen bringen kann. Das Projekt basiert darauf, daß verschiedene Drohnen unterschiedliche Vorteile haben, die sich perfekt ergänzen, um die Sucheffizienz und Geschwindigkeit, mit der geholfen werden kann, erheblich zu verbessern.

Der Seacat, der ursprünglich für andere Universitätsprojekte gebaut und bereits für den automatischen Einsatz von Geräten auf See getestet wurde, bietet einen Internet-Uplink, eine Recheneinheit sowie lokale Kommunikationsverbindungen, über die sich die fliegenden Drohnen koordinieren. Er besitzt auch eine Startrampe für die mit Kameras und Positionierungssystemen ausgestatteten Starrflügeldrohnen. Erkennt eine von diesen ein Objekt im Wasser, wird der Quadrokopter dorthin beordert, um eine Live-Videoübertragung zu senden.

Bestätigt sich, daß es sich bei dem Objekt um eine Person in Not handelt, kann das Rettungsteam den Quadrokopter mit den benötigten Hilfsmitteln ausstatten und erneut zur Unglücksstelle schicken, während zwischenzeitlich die örtlichen Behörden informiert werden und eine Rettungsmission mit Besatzung eingeleitet wird.

Ein wichtiges Feature ist die sichere Energieversorgung des kooperativen Systems, denn schwächelt die Batterie einer Drohne, setzt sie sich ab, landet im Wasser in der Nähe des Seacat und sendet eine Nachricht, wo sie abgeholt werden kann. Alternativ landet sie direkt auf dem Katamaran, wo ihre Batterie aufgeladen wird und sie anschließend erneut zum Rettungseinsatz aufbrechen kann.

Bislang ist es gelungen, eine Quadrokopter-Landung auf dem Seacat durchzuführen, und die geflügelten Drohnen sind ebenfalls schon gebaut und werden derzeit bewertet. Im Rahmen einer Fortsetzung des Projekts sollen nun alle Teile des Systems zu einem autonomen Ganzen zusammengefügt und auf See getestet werden.

Über den Einsatz einzelner Drohnen bei der Lebensrettung habe ich bereits ausführlich in den Jahresübersichten 2015 und 2018 geschrieben (s.d.). Im Juli 2022 wird berichtet, daß der in Spanien an mehreren Stränden eingeführte Drohnen-Rettungsdienst vor Valencia einem 14-Jährigen das Leben gerettet hat, indem die Drohne in seiner Nähe eine Schwimmweste ins Wasser fallen ließ. Der Junge kann daraufhin trotz der starken Wellen solange sicher im Meer treiben, bis ihn die Rettungsschwimmer mit dem Jetski erreichen. Die Helfer veröffentlichen später ein Video des Einsatzes.

In Spanien arbeiten derzeit an 22 Stränden etwa 30 Piloten und ihre Drohnen mit Rettungsschwimmern zusammen. Trotzdem sind offiziellen Angaben zufolge in den ersten sechs Monaten des Jahres 2022 bereits 140 Menschen durch Ertrinken gestorben, und damit 55 % mehr als im gleichen Zeitraum des Vorjahres.

Anfang Juni 2022 findet in Braunschweig der erste zweitägige Drohnen-Workshop statt, der gemeinsam von Verein Deutscher Ingenieure (VDI), dem Thünen-Institut in Braunschweig und der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in Bergisch Gladbach organisiert wird. Rund 60 Expertinnen und Experten diskutierten die unterschiedlichen wissenschaftlichen Anwendungsfelder von Drohnen und erhalten Einblicke in derzeit laufende Forschungsprojekte der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR) und der TU Braunschweig.

Höhepunkte der Veranstaltung sind die begleitende Fachausstellung sowie Flugvorführungen einer Drohne des Malteser Hilfsdiensts zur Personen- und Rehkitz-Ortung – sowie eines vom Thünen-Institut entwickelten und auf einem Oktokopter  montierten Bioaerosolsammler, der Mikroorganismen aus der Luft aufnehmen kann.

Die südkoreanische Firma Samsung Electronics Co. Ltd., die als einer der größten Elektronikkonzerne weltweit alles Mögliche herstellt, hat bislang noch keine einzige Drohne gebaut, obwohl sie bereits ab 2016 mehrere entsprechendes Patente angemeldet und ab 2018 erteilt bekommen hatte, darunter auch eines, bei dem die Drohne mit innen liegendem Rotor wie eine Flugscheibe aussieht.

Nun, im Juni 2022, wird berichtet, daß das Unternehmen Unterstützung durch die südkoreanischen Designer Minkyo Im und Seongjin Kim erhält, die ein Konzept mit dem Namen Public Safety Drone (o. DNDN) entwickelt haben, die als Überwachungskamera in der Luft beschrieben wird, die die Bürger über eine App rufen können, wenn sie sich unsicher fühlen. Denn während es für die Polizei oft nicht einfach ist, innerhalb von Sekunden auf Alarme zu reagieren, kann eine fliegende Drohne einen entsprechenden Zielpunkt viel schneller erreichen.

Ausgestattet mit vier Propellern, einer Reihe von Notlichtern und einem 360°-Kameraobjektiv an der Unterseite ist die Drohne die perfekte Überwachungskamera für Städte, insbesondere bei Nacht. Und wenn sie ein Verbrechen entdeckt, kann sie sofort die örtlichen Behörden mit Videobeweisen alarmieren und sogar die Täter verfolgen, wenn diese versuchen, zu entkommen. Zu normalen Zeiten leuchten die Lichter der Drohne blau, aber wenn sie eine Gefahr erkennt, werden die Lichter sofort rot, um die Täter zu warnen. Dabei soll die Drohne als öffentlicher Dienst und nicht als Erweiterung der Strafverfolgungsbehörden zur Verfügung stehen. Bislang ist es aber noch nicht zu einer Umsetzung gekommen.

Konzipiert wurde die DNDN als Teil des Samsung Design Membership-Programms, das jedes Jahr im Forschungs- und Entwicklungszentrum von Samsung in Seoul als Mentorenprogramm für junge Designer organisiert wird.

Im August teilt das belgische Krankenhaus Netwerk Antwerpen (ZNA) mit, gemeinsam mit der Drohnenfluggesellschaft Helicus den ersten europäischen Testflug mit menschlichem Gewebe organisiert und durchgeführt zu haben, der vom ZNA Middelheim zum Campus Sint-Augustinus des GZA-Krankenhauses führt. Der Betreiber Helicus in Antwerpen ist der erste in Europa, der die Betriebserlaubnis hat, gemäß der geltenden EU-Gesetzgebung auch Flüge über einer Stadt und außerhalb des Sichtfelds des Piloten durchzuführen.

Bei einem reibungslosen Ablauf benötige ein Auto für den Probentransport über die 13 km Strecke bis zum Zentrallabor 21 Minuten. Ein großer Teil der Strecke gehe dabei über den stausensiblen Antwerpener Ring, was die Dauer des Transports stark verlängern kann. Eine Drohne braucht hingegen immer nur 10 Minuten. Die Drohne, die den Flug durchgeführt hat, ist ein X-8 Oktokopter mit integriertem Notfallschirm des belgischen Herstellers Sabca, der eine Höchstgeschwindigkeit 72 km/h erreicht und für den Transport von bis zu 5 kg Last ausgelegt ist.

Die Partner arbeiten im Rahmen der Helicus Aero Initiative (HAI) zusammen, um den medizinischen Drohnentransport aufzubauen. Die ersten Flüge fanden 2019 nach der damaligen nationalen Gesetzgebung statt. In den Jahren 2021 und 2022 wurde dann eine Validierung durchgeführt, um sicherzustellen, daß der Drohnentransport keine Auswirkungen auf die Qualität des transportierten Materials hat. Der Flug mit menschlichem Gewebe ist ein neuer Schritt.

Testflüge wie diese sollen die verfahrenstechnische Seite weiterentwickeln und Erfahrungen mit den europäischen Behörden austauschen, die derzeit das nächste Gesetzgebungspaket vorbereiten, das 2023 in Kraft treten wird.

Um auch Hobbyisten die Möglichkeit zu geben, über eine senkrecht startende und landende  Kamera-Drohne zu verfügen, startet das im Februar 2019 gegründete und in Hongkong beheimatete Start-Up HEQUAV Tech (HEQ) im August 2022 eine Crowdfunding-Kampagne auf Kickstarter, bei der die Swan Voyageur (o. Swan-K1) genannte VTOL-Drohne für 1.299 $ angeboten wird. Die spätere Ladenpreis soll dann 1.599 $ betragen.

Der Tail-Sitter befindet sich beim Starten, Landen und Schweben in vertikaler Ausrichtung – mit der Nase nach oben. In dieser Ausrichtung funktionieren seine vier Propeller-/Motoreinheiten wie die Rotorblätter eines Hubschraubers. Für den Vorwärtsflug kippt er nach vorne in die Horizontale, wodurch die festen Flügel für den Auftrieb sorgen und einen wesentlich energieeffizienteren und schnelleren Flug als bei einem herkömmlichen Quadrokopter ermöglichen.

Die maximale Vorwärtsgeschwindigkeit soll bei etwa 90 km/h liegen, während eine Ladung des 5.500 mAh Lithium-Polymer-Akkus für eine Betriebsdauer im Vorwärtsflug von bis zu einer Stunde ausreicht. Im Zuge der Kampagne tragen 60 Unterstützer mit umgerechnet 85.714 € bei, um dieses Projekt zu verwirklichen. Der Produktionsstart ist für Oktober geplant, und tatsächlich wird der Swan Voyager Mitte 2023 im Netz zu Preisen zwischen 1.499 $ und 2.999 € angeboten.

An dieser Stelle sei auf einen weiteren Tail-Sitter namens Vetal hingewiesen, der von dem 2016 gegründeten thailändischen Unternehmen HG Robotics Co. Ltd. (o. HiveGround Co. Ltd.) vertrieben wird – zu Preisen ab 23.000 $. Die professionelle Industriedrohne ist für landwirtschaftliche Vermessungen und allgemeine Überwachungsaufgaben entwickelt worden, kann in Echtzeit bis zu einer Entfernung von 7 km ferngesteuert oder für einen vorgegebenen Flugweg programmiert werden.

Die Drohne mit einer Spannweite von 1,3 m und einen Rumpf aus Schaumstoff/Kohlefaser wiegt nur 3,8 kg und kann eine Nutzlast von bis zu 800 g tragen, die aus verschiedenen Arten von Sensoren und/oder Kameras besteht, die sich alle über einen Schnellverschluß-Mechanismus montieren und entfernen lassen.

Die beiden Motoren werden von einem schnell austauschbaren 12 Ah Lithium-Polymer-Akku angetrieben, dessen Ladung für eine Flugzeit von bis zu 60 Minuten reicht. Dabei  erreicht die Drohne im Vorwärtsflug eine Höchstgeschwindigkeit von 90 km/h und eine Reisegeschwindigkeit von 54 km/h.

Eine Kamera-Drohne mit eigenwilligem Design, die in diesem August erstmals in den Blogs erscheint, stammt von dem weltweit führenden chinesischen Drohnenhersteller DJI und setzt sich mit ihren nur drei Propellern klar aus der Masse der üblichen Drohnen ab.

Die HiTop genannte konzeptionelle Drohne im Trikopter-Format ist eher ein Spielzeug für Verbraucher als ein hochprofessionelles Fluggerät, beherbergt aber einen größeren Akku und mehr Sicherheitsfunktionen, damit die Drohne länger in der Luft bleibt.

Von oben betrachtet hat die Drohne die Form eines sechseckigen Sterns mit drei Rotoren und drei Stoßfängern dazwischen, um Schäden an der Drohne oder dem darunter befindlichen High-End-Kamerasystem zu verhindern.

Im Oktober 2022 stellen Forscher der niederländischen Reichsuniversität Groningen und der italienischen Universität Tuscia eine Wanderfalken-Drohne vor, die gemeinsam mit der Royal Netherlands Air Force (RNLAF) entwickelt wurde, um Flughäfen zu sichern.

Lebende Wanderfalken sind eigentlich bestens geeignet, um Vögel aus dem Umfeld von Flughäfen zu vertreiben, die eine Gefahr vor allem für startende Maschinen sind. Die durch Vogelschlag angerichteten Schäden sollen jährlich bei 1,4 Mrd. $ liegen. Doch Raubvögel neigen dazu, sich andere Reviere zu suchen, wenn die Vertreibung aufgrund ihrer Anwesenheit erfolgreich war. Zudem können sie selbst zur Gefahr werden, weshalb Flughäfen auf ihren Einsatz verzichten.

Eine Lösung soll daher der täuschend echt aussehende RobotFalcon bieten, der aus glasfaserverstärktem Polypropylen besteht und zwei Propeller an Vorderseite jedes Flügels hat, die von einem internen Motor angetrieben werden. Damit die Drohne die Flugmuster eines echten Falken nachahmen kann, hatten die Forscher die Flugeigenschaften echter Vögel untersucht.

Bei Feldversuchen in Workum nördlich von Amsterdam verscheucht der Robotervogel innerhalb von fünf Minuten nach seiner Ankunft ganze Vogelschwärme. Bei der Hälfte dieser Abschreckungsflüge kann er das Feld sogar in nur 70 Sekunden räumen. Auch auf Dauer nimmt die abschreckende Wirkung nicht ab. Die bedrohten Vögel gewöhnen sich nicht daran, daß der RobotFalcon harmlos ist, obwohl er keinen von ihnen jemals angegriffen, geschweige denn getötet hätte – wofür vermutlich die genetischen ‚Algorithmen‘ der Vögel verantwortlich sind, bei denen die Silhouette eines Raubvogels einen automatischen Fluchtinstinkt weckt.

Ähnliche Imitationen lebender Vögel gab es allerdings schon mehrfach. In den vorliegenden Jahresübersichten findet man z.B. die Ansätze Aquiline und Axillary der CIA Mitte der 1960er, die zu Spionagezwecken eingesetzt werden sollten; der SmartBird der Firma Festo AG & Co. KG (beide s. 2011); die Aufklärungsdrohne Shepherd-MIL der spanischen Firma EXPAL (2013); den Robird der Firma Clear Flight Solutions aus den Niederlanden (2014); die Flatter-Drohne Bionic Bird des französischen Unternehmens Xtim bionicworld (2014); den von einer Schwalbe inspirierten BionicSwift von Festo (2018); oder den mit echten Taubenfedern ausgestatteten PigeonBot der Standford University (2020).

Eines der wenigen neuen Designs – die Ideen scheinen langsam auszugehen – stammt von dem Industriedesigner Albert Rakhimzhanov aus St. Petersburg und stellt ein drohnenbasiertes Luftreinigungssystem für Räume dar, in denen viele Menschen ein- und ausgehen, und bei denen ein einziger stationärer Luftreiniger nicht ausreicht.

Die vorgeschlagene Lösung namens Ultro kann sowohl stationär als auch mobil arbeiten und läßt sich am besten als eine Kombination aus einem Luftreiniger und einer Drohne vorstellen. Wenn diese an der Station angedockt ist, kann sie nur die Luft um sie herum reinigen. Löst man sie aber aus dem Andockmodus und macht sie mobil, dann kann sie durch den Raum fliegen und mit Hilfe ihrer UV-LEDs überall die Luft desinfizieren.

Das System sieht aus wie ein Mini-Satellitenständer, mit einem Körper aus Aluminium und filigranen Beinen aus Holz, während die ringförmige Drohne mit innenliegenden Rotoren eine Art schützende Lamellenblende besitzt, um Menschen vor den Blättern zu schützen. Die Rotoren sind zudem koaxial angeordnet, was ideal ist, wenn sich die Drohne in der Station befindet und ihre Ventilatorfunktion ausübt.

Ultro kann alleine arbeiten, aber bei einem größeres Bereich ist es ideal, mehrere Stationen zu haben, wobei sich die Drohne zwischen diesen Stationen bewegen kann, während sie das Gebiet um sich herum reinigt. Als Bonus kann Ultro als Stehlampe dienen, da es an den Rändern mit einer LED-Hintergrundbeleuchtung ausgestattet ist. Und genau wie bei einer gewöhnlichen Drohne erfolgt die Bedienung über eine zugehörige App.

Im Dezember 2022 stellen Forscher der Universität Tel Aviv und der Universität Haifa um Prof. Yossi Yovel eine spezielle Drohne vor, die Windparks überfliegt und dabei Licht- und Ultraschall-Signale aussendet, damit Vögel und Fledermäuse den für sie lebensgefährlichen Bereich meiden. Frühere Versuche mit direkt an den Anlagen befestigten Signalgebern schlugen fehl, da die Lichtblitze und Ultraschallpulse stationär und konstant immer von derselben Stelle kamen – und von den Tieren schließlich ignoriert wurden.

Das Problem ist signifikant: Der Audubon Society zufolge werden jährlich etwa 140.000 bis 500.000 Vögel durch Windkraftanlagen getötet – und noch weitaus mehr Fledermäuse. Dies liegt daran, daß die drehenden riesigen Windturbinenflügel ein Unterdruckfeld mit einem Druckabfall von 5 – 10 Kilopascal erzeugen. Wenn Fledermäuse diese Unterdruckzone durchfliegen, dehnen sich ihre Kapillaren schnell aus und die Tiere sterben an inneren Blutungen. Vögel haben in der Regel stärkere Kapillaren, so daß sie dem Druckabfall leichter standhalten können.

Bei Tests im Hula-Tal, in dem zwar keine Windgeneratoren stehen, die Aktivität von Fledermäusen jedoch sehr groß ist, fliegt die Drohne in einer Höhe von 100 m immer hin und her, während die Aktivität der Fledermäuse per Radar, Lidar und akustischen Aufnahmen verfolgt wird. Dabei zeigt sich, daß die Flüge der Fledermäuse und Vögel in dem zu schützenden Bereich mit einer virtuellen Windmühle drastisch abnehmen. Die Drohne kann demnach etwa 40 % der Fledermäuse umleiten.

Die hell blinkende Drohne soll aber nicht ständig eingesetzt werden, sondern nur dann, wenn erhöhte Flugbewegungen erwartet werden. Als nächstes soll das Verfahren in einem Windpark getestet werden, um die Effizienz des Geräts unter realen Bedingungen zu beweisen. Die im Netz einsehbare Studie trägt den Titel ‚Drone-mounted audio-visual deterrence of bats: implications for reducing aerial wildlife mortality by wind turbines‘.

Bislang lassen sich keine weiteren Informationen über dieses Projekt oder die entsprechenden Ergebnisse finden – währen Yovel et al. Berichten vom Oktober 2023 zufolge inzwischen Fledermäuse mit Sensoren ausstatten, um in Tel Aviv Temperaturkontrollen durchzuführen. Im Gegensatz zu ähnlichen Messungen mittels Drohnen benötigen die Tiere schließlich keine aufwendigen Fluggenehmigungen und können in einer einzigen Nacht bis zu 100 km weit fliegen.

 

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