Drohnen lernen dazu

Unbemannte Fluggeräte für den Zivileinsatz können bislang meist nur Bilder senden. Eine neue Generation soll in der Lage sein, auch Proben von Gewässern oder Pflanzen zu nehmen – und sie an Bord zu analysieren.

Drohnen mit Kameras oder Infrarotsensoren sind bei Bauern, Polizeikräften und Extremsportfans bereits beliebt. Jetzt testen Ingenieure neue Versionen der Minifluggeräte, die mehr können als nur beobachten. So gibt es bereits Prototypen, die Wasserproben für ökologische Untersuchungen nehmen, andere sollen Öllecks oder die Ausbreitung invasiver Arten erkennen. Manche können sogar einfache Analysen vornehmen.

Der Drohnenhersteller PrecisionHawk aus Kalifornien testet für Kunden aus der Ölbranche eine Drohne zur Entnahme von Wasserproben. Sie hat die Form eines Wasserflugzeugs, auf ihren Schwimmern ist eine Pumpe montiert, die auch mit schmutzigem Sumpfwasser voller Kleintiere, Schlamm und Algen zurechtkommt. Das Wasser wird in einen Behälter gesaugt und dann in ein Labor gebracht, wo es auf Anzeichen für austretendes Öl untersucht wird (hier können Sie ein kurzes Video der Drohne im Einsatz sehen).

„Oben in Nordkanada oder Alaska gibt es buchstäblich Tausende von Teichen und Seen, die nur einige tausend Quadratmeter groß sind“, sagt Ernest Earon, CEO von PrecisionHawk. „Es ist fast unmöglich, sich per Boot und zu Fuß zu allen durchzuschlagen, um Wasserproben zu nehmen.“

Derzeit erforscht sein Team laut Earon die Möglichkeit einer Drohne mit einem kleinen Spektrometer, die das Wasser direkt an Bord analysieren könnte. Auf diese Weise ließen sich energiefressende Flüge zurück ins Labor vermeiden.

YangQuan Chen, Professor für Ingenieurswesen an der University of California in Merced, arbeitet ebenfalls an universelleren Drohnen. Er testet einen Quadrocopter mit einem elastischen Rahmen, der auf Wasser landet, um Proben zu nehmen. Diese werden dann für DNA-Extraktion und –Sequenzierung in ein Labor gebracht.

Ziel dabei ist das Sammeln so genannter extrazellulärer DNA (eDNA) von Pflanzen, Tieren und anderen Organismen. Die Analyse von eDNA hilft beim Erkennen der Ausbreitung von Krankheiten und gefährdeten oder invasiven Arten. Beispielsweise wird das Verfahren zur Nachverfolgung von invasiven Silberkarpfen im Gebiet der Great Lakes in Kanada eingesetzt. Das Nehmen von Wasserproben mittels Drohnen könnte diese Arbeit effizienter machen, weil sich so größere Gebiete abdecken lassen, sagt Chen. „Manche Orte lassen sich mit Booten oder Fahrzeugen nicht erreichen. Man kommt dort einfach nicht hin, also muss man eine Drohne nehmen.“

Die größte Herausforderung war laut Chen das Landen der Drohne auf unruhigem Wasser oder rauem Wetter. Ein Sensor an Bord registriert Windstöße, als Reaktion reguliert Software den Schub. Das Aufsaugen von Wasser funktioniert bei der Drohne bereits, eDNA-Analysen wurden an den Proben aber noch nicht vorgenommen.

Langfristig könnte die Miniaturisierung von Gensequenzierungstechnik mit hohem Durchsatz die Möglichkeit schaffen, dass Drohnen ihre Proben gleich selbst analysieren, sagt der Genetiker Mike Miller von der University of California in Davis, der mit Chen zusammenarbeitet. „In nicht allzu langer Zeit werden vielleicht Drohnen über ganz Kalifornien unterwegs sein, tauchen kurz ins Wasser, sequenzieren sofort die gesamte DNA und melden die Daten an eine zentrale Stelle“, sagt Miller.

Carrick Detweller, Assistant Professor für Informatik und Ingenieurswesen an der University of Nebraska-Lincoln, arbeitet an einer ähnlichen Drohne. Sein „Co-Aerial Ecologist“ saugt Wasser über einen herabhängenden Schlauch von einem Meter Länge ein. Das Wasser wird dann in Phiolen an Bord geleitet, wo Temperatur und Leitfähigkeit (ein Indikator für den Salzgehalt) gemessen werden.

In einem beliebten Erholungsgebiet in Nebraska hat Detweilers Drohne bereits Proben aus einer Reihe von künstlichen Seen für Tests auf giftige Algen genommen. Menschliche Teams brauchen dafür 12 bis 14 Stunden, die Drohne ist schon nach 2 Stunden fertig. Ebenfalls wurde mit der Drohne nach Larven der invasiven Zebramuschel in den Wasserwegen Nebraskas gesucht.

Bald wird es noch leistungsfähige Drohnen geben, sagt Detweiler voraus: „Die nächste Generation in fünf bis zehn Jahren wird in der Lage sein, der Umwelt wirklich nahe zu kommen. Die neuen Drohnen werden nicht nur Proben von Wasser nehmen, sondern beispielsweise auch von Blättern.“ Er arbeitet bereits an einer Drohne, die mit einem mechanischen Arm Blätter von Pflanzen zupft. So lässt sich ihr Zustand überprüfen oder exakt feststellen, welche Schädlingsart ein Maisfeld befallen hat.

Chen hofft, dass solche Drohnen so billig werden, dass jeder sie einsetzen kann. Die Wasserflugzeug-Drohne von PrecisionHawk kostet schon ohne die Ausrüstung zur Probenentnahme, die später in diesem Jahr als optionales Extra angeboten werden soll, 16.500 Dollar. Für Ölunternehmen ist das wenig, für viele Umweltorganisationen oder Wissenschaftler aber zu teuer.

Das Ziel von Chen ist eine Drohne zur Wasserentnahme für nur 1000 Dollar. Dann wären Ökologen oder sogar Journalisten in der Lage, Gewässer routinemäßig zu untersuchen. „Wir müssen dafür sorgen, dass es bezahlbar wird“, sagt er.

(sma)