Eine Drohne, die fliegt und taucht

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Die MEDUSA Drohne: Bereit für ihren Testflug am Zürichsee. (Bild: Empa)

Dübendorf – Eine neue «duale» Drohne kann sowohl fliegen als auch auf dem Wasser landen, um aquatische Proben zu nehmen und etwa die Wasserqualität zu überwachen. Die Drohne wurde von Forschenden des «Imperial College London» und der Empa entwickelt und vor kurzem gemeinsam mit Forschenden der Eawag erstmals auf dem Zürichsee getestet.

Die «Dual-Roboter»-Drohne hat dabei erfolgreich das Wasser auf Anzeichen von Mikroorganismen und Algenblüten untersucht, die eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen können; sie könnte in Zukunft zur Überwachung von Klimaindikatoren wie Temperaturveränderungen in arktischen Meeren eingesetzt werden.

Die Forscher haben die Drohne entwickelt, um Überwachungsdrohnen in aquatischen Umgebungen schneller und vielseitiger einsetzen zu können. Die einzigartige Konstruktion namens «Multi-Environment Dual Robot for Underwater Sample Acquisition» – kurz MEDUSA – könnte auch die Überwachung und Wartung von Offshore-Infrastrukturen wie Unterwasserpipelines und schwimmenden Windkraftanlagen vereinfachen. «MEDUSA ist einzigartig in ihrer dualen Roboterkonstruktion, mit einer Flugkomponente, die es ermöglicht, schwer zugängliche Bereiche zu erreichen, und einer Tauchkomponente, die die Wasserqualität überwacht», erklärt Mirko Kovac, Direktor des «Aerial Robotics Lab» am «Imperial College» und Leiter des Robotik-Zentrums an der Empa. «Unsere Drohne vereinfacht die robotergestützte Unterwasserüberwachung erheblich, indem sie anspruchsvolle Aufgaben übernimmt, für die sonst Boote oder U-Boote erforderlich wären.»

Duale Konstruktion
Die Drohne fliegt mit ferngesteuerten Multirotoren – Auftrieb erzeugende Blätter, die sich wie Hubschrauberblätter um einen zentralen vertikalen Mast drehen. Dadurch kann MEDUSA grosse Entfernungen mit hoher Nutzlast zurücklegen, Hindernisse überfliegen, Nutzlasten tragen und durch schwieriges Gelände manövrieren. Nach dem Aufsetzen auf der Wasseroberfläche entkoppelt MEDUSA ihre angebundene mobile Unterwasserkapsel mit angeschlossener Kamera und Sensoren, die bis zu zehn Meter tief absinken kann. Die genaue Tiefe und die dreidimensionale Position der Kapsel im Wasser kann der Drohnenpilot mithilfe von Auftriebskontrolle und Düsen aus der Ferne steuern, wobei er durch Echtzeit-Videos und Sensor-Feedback von der Kapsel geleitet wird.

Nach der Probenentnahme zieht die Drohne die Kapsel wieder ein, hebt von der Wasseroberfläche ab und fliegt zu ihrem Ausgangspunkt zurück. Während die Unterwasserkapsel neu ist, handelt es sich bei der Luftdrohne um einen Industriestandard, MEDUSA-Systeme lassen sich also relativ leicht konstruieren und mit industriellen Drohnen kombinieren.

Hinweise auf das aquatische Klima
Ökologen verwenden normalerweise Boote, um abgelegene Meeresgebiete zu erreichen und zu überwachen. MEDUSA könnte das Risiko für Menschen an diesen schwer zugänglichen Orten verringern, etwa im Arktischen Ozean, wo Veränderungen der Meerestemperaturen, des Säure- und Salzgehalts sowie der Strömungen wichtige Hinweise auf die globale Klimaveränderung liefern können.

«Wir können viel von den Weltmeeren und anderen Gewässern lernen: Durch die Überwachung ökologischer Parameter können wir frühzeitig Trends erkennen und die Faktoren besser verstehen, die die Wasserqualität und das Klima beeinflussen», so Mirko Kovac. «Die einzigartige Fähigkeit von MEDUSA, schwer zugängliche Orte zu erreichen und Wasserbilder, Proben und Messdaten zu sammeln, wird für die Ökologie und die Wasserforschung von unschätzbarem Wert sein und könnte unser Verständnis des lokalen Klimas in schwer zugänglichen Umgebungen wie der Arktis verbessern.» Im Rahmen seines kürzlich bewilligten «ERC Consolidator Grant» entwickelt Mirko Kovac nun mit internationalen Partnern an der Empa formveränderliche metamorphe Drohnen. (Empa/mc/pg)

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