Mit Drohnen austretende Gase präziser messen

Vulkanausbrüche besser vorhersagen

Algorithmus berechnet Tomographie von der Gaskonzentration

In den zehn bis 15 Minuten, in denen die Drohne in der Luft in bis zu 60 Metern Entfernung zum Laser eine festgelegte Route abfliegt, misst das System bis zu 3.000 Mal. Diese Daten verwandelt ein Algorithmus in eine Karte, die die Konzentration des Gases in einer bestimmten Höhe darstellt. Dazu beziehen die Forschenden auch die Windverhältnisse am jeweiligen Ort mit ein. Forschungen im Windkanal hatten zuvor gezeigt, dass diese Methode mit einer Abweichung von etwa fünf Prozent sehr genau ist.

„Unser Ziel ist, das Messen und Kartieren zu automatisieren und einer künstlichen Intelligenz die Interpretation der Daten zu übergeben“, sagt Lilienthal, der seit vielen Jahren am Riechsinn von Robotern forscht und nun zum ersten Mal ein autonomes Detektionssystem mit Drohnen im Einsatz hat, um Vulkanfelder zu beobachten.

Andere Messprinzipien bei Forschenden aus Mainz

Anders als das TUM-Team setzt Prof. Thorsten Hoffmann von der Johannes zu Gutenberg Universität Mainz bei seinen Drohnen auf Sensoren an Bord für die Messung der chemischen Konzentrationen in der Luft. In photometrischen Messzellen wird Licht einer bestimmten Wellenlänge innerhalb der Messzelle absorbiert und so die Konzentration eines Gases bestimmt. Der elektrochemische Ansatz hingegen beruht auf Redoxreaktionen an der Oberfläche der Elektroden.

„Besonders wichtig sind uns die Gase Kohlendioxid und Schwefeldioxid, denn deren Verhältnis gibt uns Aufschluss darüber, was unter der Erde passiert. Die Löslichkeit dieser Gase im Magma hängt unter anderem vom Druck ab und verändert sich daher mit der Tiefe, sodass das austretende Gasgemisch Hinweise auf die Prozesse im Vulkansystem liefert“, sagt der Chemiker. „Wir fliegen direkt in die Vulkanfahne hinein und können so die Konzentration entlang der abgeflogenen Wege bestimmen.“

Das Verhältnis von Kohlendioxid und Schwefeldioxid liefert gute Indizien für einen Ausbruch

Neben geophysikalischen und Temperaturmessungen sind Gase ein weiterer wichtiger Faktor, um die Gefahr abschätzen zu können, die von einem Vulkan ausgeht. Forschungen am Ätna auf Sizilien, auf den benachbarten Liparischen Inseln sowie den Phlegräischen Feldern bei Neapel in Italien zeigen, dass jeder Ort ein charakteristisches Spektrum an Gasen aufweist. Kurz vor einem Ausbruch ändern sich häufig die Gaszusammensetzungen an Stellen, an denen vulkanische Gase austreten (Fumarolen) sowie in den Vulkanfahnen signifikant. Die Vulkanologin Nicole Bobrowski von der Uni Heidelberg erläutert: „Dann steigt zum Beispiel das Verhältnis von Kohlendioxid zu Schwefeldioxid erst stark an und fällt dann noch vor dem Beginn des Ausbruchs wieder ab“.