Die Drohne spiegelt das Licht des Lasers zurück. Aus der Abschwächung des Strahls schließen die Wissenschaftler auf die Konzentration der Gase zurück. (Quelle: A. Schmitz/TUM)

 

Um die Gefahr besser abschätzen zu können, die von Vulkanen ausgeht, haben Forschende der Technischen Universität München (TUM) ein neues Messsystem entwickelt. Sie schießen Laserstrahlen durch die austretenden Gaswolken hindurch und spiegeln sie an Flugrobotern. Aus den zurückkommenden Signalen berechnet ein Algorithmus eine Karte der Gasverteilung, auf der sich etwa ansteigende Kohlendioxidkonzentrationen ablesen lassen. Im Verhältnis zu Schwefeldioxid sind sie ein wichtiges Indiz für bevorstehende Ausbrüche.

 

Je stärker die Lava vom Erdinneren an die Oberfläche drückt, umso mehr Gase treten aus. Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen sind sehr gute Indikatoren dafür, wie hoch die Aktivität eines Vulkanfeldes aktuell ist. Besonders das Verhältnis von Kohlendioxid und Schwefeldioxid lässt einen Rückschluss darüber zu, was unter der Erdoberfläche passiert. Allerdings war es bislang nötig, vom Boden aus zu messen. Der Nachteil ist, dass das dort gemessene Gas nicht ausschließlich aus den Vulkanaktivitäten stammt, sondern auch von den umgebenden Pflanzen und dem Boden abgegeben wird.

 

Um diese „Hintergrundsignale“ gering zu halten, kommen jetzt Flugroboter zum Einsatz, die über den Gaswolken fliegen. „Das ist präziser und sicherer“, sagt Prof. Achim Lilienthal, stellvertretender Direktor des Robotikinstituts TUM MIRMI und Leiter des Lehrstuhls für Perzeption für intelligente Systeme der TUM School of Computation, Information and Technology.

 

Der Laser findet autonom den Spiegel der Drohne (grüner Punkt). (Quelle: A. Schmitz/TUM)

 

Autonome Messungen der Gase über einem Vulkanfeld

Im Rahmen des DFG-Forschungsprojektes „Messtechnik auf fliegenden Plattformen“ hat sein Forschungsteam nun ein System entwickelt, das die Gaskonzentration über einem aktiven Vulkanfeld sehr genau bestimmen kann. Auf der Liparischen Insel Vulcano vor Sizilien hat TUM-Forscher Marius Schaab es nun erstmals autonom im Einsatz. Auf einem kleinen Wagen hat er einen Laser montiert, der eine Drohne in der Luft von selbst findet und sich auf einen Reflektor auf der Drohne ausrichtet. Der reflektierte Strahl schwächt sich auf dem Weg durch die Wolke etwas ab. Denn er absorbiert exakt das Gas, um das es bei dieser Messung geht, hier Kohlendioxid.

 

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.

 

Thomas Wiedemann (links) und Marius Schaab überprüfen die Position des Lasers.

 

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“.

 

Originalpublikationen:

Visual Cooperative Drone Tracking for Open-Path Gas Measurements; Marius Schaab, Alisha Kiefer, Thomas Wiedemann, Patrick Hinsen, Achim J.

Lilienthal;

https://www.researchgate.net/publication/401178423_Visual_Cooperative_Drone_Tracking_for_Open-Path_Gas_Measurements

 

Towards Drone-based Mapping of Volcanic Gases using Gas Tomography; Marius Schaab, Niklas Karbach, Antonia Rabe, Thomas Wiedemann, Patrick Hinsen, Dmitriy Shutin, Thorsten Hoffmann, Achim J. Lilienthal;

https://arxiv.org/abs/2605.27180

 

Methane Release Rate Estimation Using Model-Based Gas Tomography; Marius Schaab, Thomas Wiedemann, Patrick Hinsen, Achim J. Lilienthal; IEEE Sensors Letters, 9-2025

https://ieeexplore.ieee.org/document/11123752