[rheinischer-merkur.de] Nach dem Militär entdecken Wissenschaftler die Vorzüge unbemannter Flugroboter. Die Maschinen dienen als autonome Messstationen bei unwirtlichen Bedingungen Ungewöhnliche Flugbewegungen waren im vergangenen November über der Antarktis zu beobachten: An mehr als 20 Tagen startete das Forschungsflugzeug M2AV bei der britischen Forschungsstation Halley, um im Tiefflug über das Brunt Ice Shelf zu kreuzen. Sensoren am Bug der Maschine erfassten ständig Wind, Temperatur und Turbulenzen in den bodennahen Luftschichten. Nach jeweils rund 50 Kilometer Flugstrecke kehrte die Maschine zur Basis zurück und schlitterte bei der Landung übers Eis, direkt vor die Füße von Thomas Spieß. Der Meteorologe vom Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) der Technischen Universität Braunschweig musste sich nur noch bücken, um den Flieger aufzuheben und in den Schutz der Station zurückzutragen. Denn das am ILR entwickelte M2AV hat nur zwei Meter Spannweite.

Ein herkömmliches Modellflugzeug ist M2AV keineswegs. „Es kann vollkommen autonom fliegen“, erklärt Spieß. Die gewünschte Flugroute muss nur per Notebook programmiert werden. Einmal in der Luft, steuert ein Mini-Bordcomputer das Flugzeug. Der Autopilot orientiert sich mithilfe von GPS-Navigationssatelliten und folgt automatisch dem vorgegebenen Weg. Nur bei Start und Landung wird M2AV noch von einem menschlichen Piloten am Boden ferngesteuert.

Die Messflüge von M2AV in der Antarktis waren der weltweit erste Einsatz von Roboterflugzeugen in der polaren Klimaforschung. Wieder zurück in Braunschweig, ist Spieß derzeit mit der Auswertung der gesammelten Messdaten beschäftigt. Ein Ergebnis steht allerdings schon fest: Als fliegende Messstation hat sich M2AV, der eisigen Kälte zum Trotz, bestens bewährt.

Unbemannte Luftfahrzeuge, im Fachjargon kurz UAV (unmanned aerial vehicle) genannt, rücken zunehmend in das Interesse der Wissenschaft. Bisher wurden Drohnen meist nur vom Militär als Aufklärungsflugzeuge eingesetzt. Doch die Vorteile der fliegenden Roboter, vor allem bei sogenannten 3D-Missionen, überzeugen auch zivile Nutzer. 3D steht für „dirty, dull and dangerous“: Dreckig, stumpfsinnig und gefährlich darf es zugehen, wenn sich die UAVs in die Lüfte schwingen. Sie können unter Bedingungen fliegen, die man aus Sicherheits- und Kostengründen keinem normalen Flugzeug mit Piloten zumuten würde. Als „dull“ gelten sehr lange, monotone Überwachungsflüge.

Drohneneinsätze im Dienste der Wissenschaft gab es bislang vor allem in den USA: So schickten Wissenschaftler des US Geological Survey 2004 den Flugroboter „Silver Fox“ durch die Aschewolken des Vulkans Mount St. Helens. Mit einer Wärmebildkamera erspähte das UAV neue Lavaströme im Krater. Sturmforscher der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ließen eine Drohne des australischen Herstellers Aerosonde stundenlang im Tiefflug den Wirbelsturm Ophelia durchkreuzen, der 2005 vor der Küste des US-Staates Virginia tobte. So konnten sie erstmals meteorologische Daten aus den extrem turbulenten unteren Luftschichten eines Hurrikans sammeln. Selbst die mutigsten Sturmpiloten würden sich niemals freiwillig nur 150 Meter hoch über das aufgepeitschte Wasser wagen.

Beim UAV Altair, das die Nasa und NOAA gemeinsam einsetzen, um beispielsweise Waldbrände in Kalifornien zu überwachen, steckt Militärtechnik im zivilen Gewand. Altair ist eine umgebaute Version der Aufklärungsdrohne Predator, die sonst regelmäßig über dem Irak Spähflüge macht. Altair ist mit hochauflösenden Kameras und Radar ausgerüstet und kann bis zu 30 Stunden lang in Flughöhen von über 15 000 Metern kreuzen. Mit einer Spannweite von 28 Metern und einem Preis von rund zehn Millionen Dollar sprengt sie freilich die im Forschungsbereich sonst üblichen Dimensionen.

Die meisten Forschungsdrohnen sind erheblich kleiner und billiger. Flügelspannweiten reichen von 50 Zentimeter bis drei Meter, die Kosten liegen üblicherweise unter 50 000 Euro. Sie ähneln Hobby-Modellflugzeugen, die aber mit Hightech-Sensorik und digitaler Steuerung aufgerüstet sind.

„Vor einigen Jahren konnte man sich noch gar nicht vorstellen, dass so kleine Flugzeuge auch vollkommen automatisch fliegen können. Die erforderliche Flugelektronik war einfach noch zu groß und zu schwer“, sagt Marco Buschmann, Geschäftsführer der Mavionics GmbH. Das Unternehmen ist eine Ausgründung des Instituts für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) der TU Braunschweig. Es vermarktet Bordcomputer für UAVs. Dank fortschreitender Miniaturisierung ist die am ILR entwickelte Flugelektronik heute nur noch so groß wie eine Zigarettenschachtel. Dazu gehört ein GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung, ein Gyroskop, um die Neigung des Flugzeugs gegenüber dem Horizont zu ermitteln, und ein Kleincomputer, der darüber wacht, dass die festgelegte Flugroute auch eingehalten wird. Bei Bedarf kann der Kurs per Funkbefehl jederzeit neu programmiert werden.

Trotz dieser technischen Fortschritte ist kaum zu erwarten, dass Forschungsdrohnen bald auch über Europa in großer Zahl am Himmel auftauchen werden. Denn es gibt ungeklärte Sicherheitsfragen: Wie lassen sich Flugroboter so in den geregelten Luftraum integrieren, dass sie die bemannte Luftfahrt nicht gefährden? Experten bei der Europäischen Luftsicherheitsagentur Easa und ihrem US-Pendant FAA diskutieren bereits über die nötigen Anforderungen. Wann erste Vorschriften zur Luftsicherheit der UAVs erlassen werden, ist aber noch nicht absehbar.

Zeitlichen Druck gibt es vor allem vom Militär, das gerne auch über Europa routinemäßig unbemannte Flugzeuge einsetzen würde. Bisher muss vor jedem Start einer Drohne bei den Luftaufsichtsbehörden eine Sperrung des Luftraumes entlang der geplanten Flugrouten beantragt werden. Ein lästiges wie zeitraubendes Verfahren.

Anfang des Jahres vergab die Europäische Verteidigungsagentur (EDA) darum an zwölf europäische Luftfahrtkonzerne, darunter EADS und Diehl BGT Defence aus Deutschland, den Auftrag für das Projekt „Air4All“. Noch in diesem Sommer sollen die beteiligten Unternehmen einen Aktionsplan präsentieren, wie militärische UAVs bis spätestens 2015 in den zivilen Luftraum integriert werden könnten. Forschungsdrohnen würden von solchen Regelungen gleichermaßen profitieren.

Eine Technik werden die autonomen Flieger in jedem Fall beherrschen müssen: „see and avoid“, Sehen und Ausweichen. Über Radargeräte oder Kameras mit automatischer Bildanalyse sollen auch UAVs ihr Flugumfeld ständig im Blick behalten. Erkennt der Bordcomputer, dass sich ein anderes Objekt auf Kollisionskurs nähert, muss der Flugroboter sofort ein sicheres Ausweichmanöver einleiten.

Technisch ist das machbar. Im vergangenen Jahr absolvierte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bei Braunschweig erste erfolgreiche Versuche: Das Forschungsflugzeug Attas, das sowohl von einem Piloten als auch völlig autonom von einem Computer gesteuert werden kann, wurde in der Luft auf Kollisionskurs mit einer zweimotorigen Dornier 228 gebracht. „Der Bordcomputer von Attas hat den Konflikt erkannt und das Flugzeug automatisch so gesteuert, dass stets der geforderte seitliche Mindestabstand von 152 Metern eingehalten wurde“, sagt Dietrich Altenkirch vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik. Der echte Pilot im Cockpit, der im Notfall das Ruder sofort hätte übernehmen können, musste bei den Tests nicht eingreifen.

See-and-avoid-Systeme auch für kleine Drohnen zu entwickeln stellt eine große Herausforderung dar. Die nötige Sensorik muss extrem klein und leicht und dennoch zuverlässig sein. Radartechnik scheidet allein von der Größe und dem Energiebedarf her aus. Forscher des ILR der Uni Braunschweig experimentieren derzeit mit Laser-Sensoren. In den nächsten Wochen wird erstmals ein kleines UAV zu Testflügen starten, das mit einem Laser am Bug zumindest schon mal Hindernisse erkennen kann, die genau in Flugrichtung liegen. Im automatischen Landeanflug ist das wichtig, um beispielsweise Bäumen ausweichen zu können.

Die in der Antarktis eingesetzte Forschungsdrohne M2AV hatte diese Fähigkeit noch nicht – aber auch nicht nötig. „Das Schelfeis der Antarktis ist ideal, um dort ein UAV fliegen zu lassen“, sagt ILR-Meteorologe Spieß. Der gefrorene Untergrund ist topfeben, und weit und breit um die Forschungsstation herum gibt es keinen einzigen Baum, der einem Flugzeug zum Verhängnis werden könnte.

Mit Sonnenkraft in die Stratosphäre
In Zukunft sollen Roboterflugzeuge mit Solarantrieb weit oberhalb der Wolken und des allgemeinen Luftverkehrs wochenlang in der Luft bleiben können. Als sogenannte Hale-Plattformen (high altitude, long endurance) könnten sie – bei viel geringeren Kosten – die gleichen Aufgaben wie Satelliten erfüllen: Telefongespräche weiterleiten, Fernsehsendungen übertragen und die Erde beobachten.

Kürzlich präsentierte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine Machbarkeitsstudie. Simulationsrechnungen ergaben, dass sich mit der heute schon verfügbaren Solarzellen- und Energiespeichertechnik ein Flugzeug bauen ließe, das allein mit Sonnenenergie eine 250 Kilogramm schwere Nutzlast dauerhaft in der Stratosphäre stationieren könnte. Das in der Studie beschriebene Modell Solaris hätte schmale Flügel wie ein Segelflugzeug und eine riesige Spannweite von über 60 Metern. Die wäre nötig, um in der dünnen Luft der Stratosphäre überhaupt genügend Auftrieb zu entwickeln und zugleich auch ausreichend Fläche für den Einbau der Solarzellen als Energiequelle zu bieten.

Erste reale Versuche in diese Richtung gibt es bereits. Im vergangenen September meldete das britische Forschungsunternehmen Qinetiq einen Weltrekord: Zephyr, ein solarbetriebenes UAV mit 18 Meter Spannweite, absolvierte im sonnigen US-Staat New Mexico einen Testflug. Dabei stieg es bis in 17 000 Meter Höhe auf und blieb 54 Stunden ohne Unterbrechung in der Luft – länger als jedes andere Flugzeug zuvor.

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