19.12.2022

Leichter aus der Luft messen

Transportables Drohnensystem eignet sich auch für schwer zugängliches Gelände.

Vulkane setzen Gase vor allem in Form von Wasser­dampf, Kohlen­dioxid und Schwefel­dioxid frei. Die Untersuchung dieser Gase ist eine wichtige Methode, um Informationen über die vulkanischen Systeme zu gewinnen und einzigartige Einblicke in die magmatischen Prozesse zu erhalten. So kann etwa das Verhältnis von Kohlendioxid zu Schwefel­dioxid Hinweise auf bevorstehende Eruptionen liefern. Um Messsysteme direkt an den Ort des Geschehens zu bringen, kommen Drohnen zum Einsatz, die jedoch aufgrund ihrer Größe bisher erst mit großem Aufwand zum Einsatzort transportiert werden müssen. An der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat die Arbeits­gruppe von Thorsten Hoffmann nun in abgelegenen Regionen eine kleine, transportable Messdrohne getestet. Es handelt sich dabei um ein sehr kleines Drohnen­system, das leicht zu Fuß in schwer zugängliches Gelände transportiert werden kann und zudem nur minimale flug­technische und administrative Vorbereitungen für den Einsatz als Beobachtungs­plattform aus der Luft erfordert.

 

Abb.: Die Forschungs­drohne im Einsatz auf der Insel Vulcano, Liparische...
Abb.: Die Forschungs­drohne im Einsatz auf der Insel Vulcano, Liparische Inseln, Italien. (Bild: Arbeitskreis T. Hoffmann)

Vulkanische Gasfreisetzungen sind eine der wenigen chemischen Sonden in das unzugängliche Erdinnere magmatischer Systeme. Schon früh wurde angenommen, dass flüchtige Ausgasungen eine zentrale Rolle bei der Verbesserung der Vorhersage von Vulkan­ausbrüchen spielen könnten. Ein vielversprechender Parameter zur Überwachung der Aktivitäts­änderungen von Vulkanen ist die Bestimmung des Verhältnisses von Kohlen­dioxid zu Schwefel­dioxid. Tatsächlich wurde eine Veränderung dieses Verhältnisses bei mehreren Vulkanen unmittelbar vor Eruptionen beobachtet, darunter auch am Ätna. Die praktische Umsetzung zur Erfassung kontinuierlicher Zeitreihen der Gas­zusammen­setzungen ist jedoch eine Herausforderung. Die direkte manuelle Probenahme – also das Besteigen des Vulkans – ist mühsam, zeitaufwändig und birgt ein hohes Risiko im Falle eines plötzlichen eruptiven Ausbruchs. Stationäre Messstationen liefern oft keine repräsentative Zusammen­setzung der emittierten Gase, insbesondere aufgrund wechselnder Wind­richtungen.

Wissenschaftliche Drohnen können diese Probleme überwinden und wurden auch bereits zur Messung der chemischen Zusammensetzung vulkanischer Emissionen eingesetzt. Insbesondere das Risiko, durch plötzliche Veränderungen der vulkanischen Aktivität gefährdet zu werden, ist durch die größeren Entfernungen erheblich kleiner. Darüber hinaus können mit Drohnen Emissions­quellen erreicht werden, die sonst nur schwer oder gar nicht zugänglich sind, wie zum Beispiel Fumarolen in steilem, rutschigem Gelände oder ältere Teile der Abgasfahne, die sich in der Regel in wind­abgewandten Gebieten und in größeren Höhen befinden. Bisher werden allerdings ausschließlich größere Drohnen für Vulkan­beobachtungen eingesetzt, was in den meist abgelegenen Regionen, in denen sich die Vulkane üblicherweise befinden, unpraktisch ist. „Daher sind kleine transportable Mess­drohnen eine wesentliche Voraussetzung, um entlegene oder schwer zugängliche Vulkan­regionen zu erreichen und eine effektive Überwachung der vulkanischen Aktivität zu realisieren“, erklärt Niklas Karbach, Erstautor einer Studie, die nun in „Scientific Reports“ erschienen ist.

Zusammen mit der Vulkanologin Nicole Bobrowski, die an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg beziehungsweise am Nationalen Institut für Geophysik und Vulkanologie (INGV) in Catania forscht, hat das Team eine sehr kleine kommerzielle Drohne mit einem Gewicht von weniger als 900 Gramm mit entsprechend kleinen und leichten Sensoren bestückt. Das gesamte Messsystem mit dem Gesamtgewicht einer Mineral­wasserflasche konnte so problemlos in einem Wanderrucksack zum Einsatz­ort transportiert werden. Dabei ist nicht nur das Gewicht der Drohne relevant. „Wichtig für uns ist die Echtzeitinformation zur Schwefeldioxidkonzentration, da wir nur mit diesen Informationen wissen, wann wir die sich zeitlich und räumlich schnell verändernde Vulkanfahne erreicht haben. Allein visuell ist das bei den Entfernungen von mehreren Kilometern nicht zu machen“, ergänzt Thorsten Hoffmann, wissenschaftlicher Leiter der Arbeits­gruppe an der JGU.

JGU / DE

 

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