Schulung von Drohnen zur Erkennung von Treibhausgasquellen

Wie kartiert man etwas, das sowohl unsichtbar als auch geruchlos ist? Forscher der Universität Oslo haben Drohnen darauf trainiert, selbst die besten Orte für die Messung von Treibhausgasen zu finden.

„Solche Gasströme abzuschätzen ist nicht einfach. Wir sind wirklich führend in dem, was auf diesem Gebiet getan wird“, sagt der Mediziner. Kandidatin Alouette van Hove am Department of Geosciences der UiO.

Stellen Sie sich die Tundra von Spitzbergen vor. Oder die riesigen gefrorenen Torfmoore Sibiriens. Jahrtausende lang trug Permafrost dazu bei, den Kohlenstoff in Torfmooren zu bewahren, aber jetzt erwärmt er sich. Methan und CO₂ Gas wird freigesetzt. Nun steigen die Gase vom Boden in die Atmosphäre auf.

„Es ist notwendig, die Flüsse oder den Austausch von Treibhausgasen auf der Erdoberfläche abzubilden, um die Qualität sicherzustellen und Klimamodelle zu kalibrieren“, erklärt van Hove.

Kilometer für Kilometer Moor. Hier findet zwischen dem Torfboden und der darüber liegenden Luft ein Austausch, eine Strömung von Gasen statt. Dies sind wichtige Teile der globalen Klimagleichung, aber die Schätzungen, die Forscher in Klimamodellen verwenden, sind unsicher.

Dass die Gase bereits beim Austritt aus der Luft verdünnt und durch Wind und schlechtes Wetter mitgerissen werden, macht die Aufgabe nicht einfacher. Ein Teil der Lösung könnte darin bestehen, Emissionen bodennah mithilfe von Drohnen zu messen.

„Was wir tun können, ist, die Strömungen durch Beobachtungen abzuschätzen. Auf diese Weise können wir die Modelle mit realen Messungen abgleichen“, sagt van Hove.

Intelligente Messsysteme

Stellen Sie sich vor, Ihre Aufgabe besteht darin, diese Gasströme zu messen. Aber das Gebiet, das Sie betrachten, erstreckt sich über Hunderte von Quadratkilometern. Wo sind sie? Wo soll gemessen werden?

„Gase sind unsichtbar und geruchlos. Sie können nur mit einem Gasanalysator nachgewiesen werden. Aber wenn man eine Fläche von 100 x 100 Quadratkilometern hat, kann man nicht jeden Meter analysieren“, erklärt Forscher Norbert Pirk.

Er leitet das Forschungsprojekt ACTIVATE, das für „Actively Learn Experimental Design in Earth Climate Science“ steht. Ziel des Projekts ist die Erforschung und Entwicklung intelligenter Messsysteme für den Einsatz in der Klimaforschung.

Zur Durchführung atmosphärischer Messungen werden Drohnen eingesetzt. Diese werden genutzt, um den Austausch von Kohlenstoff, Wasser und Energie zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre abzuschätzen. Die Messungen werden mit Daten von Satelliten sowie mobilen oder stationären Messanlagen kombiniert.

„Wir sind besorgt über die Wechselwirkung zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Zwischen diesen beiden Elementen findet ein Austausch wichtiger Treibhausgase statt. Dieser Austausch ist nicht gleichmäßig über den Globus verteilt. Er findet normalerweise an lokalisierten „Hot Spots“ statt. Das ist was.“ „Das müssen wir finden“, sagt Pirk.

Vom Winde verweht

Forscher beauftragen das Drone Lab der Universität Oslo mit der Suche nach solchen Hotspots. Hier stehen mehrere Drohnen bereit, um zur Klimaforschung auf Mission zu gehen. Aber zuerst brauchen sie eine Ausbildung. Dafür sorgte Doktorand van Hove.

„Man kann nicht einfach in ein Gebiet gehen und mit der Drohne einen Rundgang machen. Es gibt einfach zu viele Dinge, die man messen kann. Außerdem führen die Wetterbedingungen dazu, dass alles anders sein wird, wenn man zehn Minuten später misst“, sagt Van Hove erklärt.

Um eine möglichst genaue Schätzung der Gasströme zu erhalten, müssen sie an den aussagekräftigsten Orten und zu den aussagekräftigsten Zeiten messen.

„Wir müssen die Zeit, die wir mit der Drohne verbringen, optimieren“, sagt van Hove.

Sie entwickelte eine Methode, mit der sie Drohnen mithilfe belohnungsgesteuerten Lernens – „Reinforcement Learning“ – beibringen, zu wissen, wo sie nach den besten Orten zum Messen suchen müssen.

„Um die Drohnen zu trainieren, schaffen wir eine künstliche Umgebung, in der die Drohnen trainieren können. Sie erhalten für jede Bewegung, die sich als nützlich erweist, eine Belohnung.“

Auf diese Weise kann die Drohne erkennen, ob es eine gute Entscheidung war, in die eine Richtung statt in die andere zu drehen.

„Das lässt sich mit Hundetraining vergleichen. Wir nutzen Belohnungen, um der Drohne beizubringen, die beste Aktion auszuwählen“, sagt van Hove.

Versuchen Sie es, scheitern Sie und lernen Sie

In der Praxis geschieht dies alles in einem Computerprogramm, wobei die „Belohnungen“ der Drohne nichts anderes als eine bestimmte Funktion des Programms sind. Drohnen werden in „Trial-and-Error“-Experimenten eingesetzt, bei denen sich die Drohne innerhalb eines vorgegebenen Gebiets bewegen kann. In dieser Zone können Drohnen eine bestimmte Anzahl von Aktionen ausführen (vorwärts, rückwärts, aufsteigen, absteigen usw.), sie dürfen die Zone jedoch nicht verlassen.

„Somit werden ‚Belohnungen‘ für Handlungsentscheidungen vergeben, die nach einer gewissen Zeit zu einem möglichst wahrheitsnahen Ergebnis führen, nämlich dem Gasfluss“, erklärt van Hove.

Durch Experimente konnte van Hove zeigen, dass derart trainierte Drohnen solche CO-Hotspots finden und messen können.₂ Emissionen genauer messen, als wenn die Drohne eine vorprogrammierte Suche durchführen würde. Und das, selbst wenn die vorprogrammierte Forschungsdrohne für den Überflug über das CO konfiguriert ist.₂ Quelle.

„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, Drohnen zu trainieren, einen Parameter abzuschätzen, ohne zunächst den tatsächlichen Wert dieses Parameters kennen zu müssen“, erklärt van Hove.

Nun werden die trainierten Drohnen in der Praxis getestet. Bald werden Pirk und van Hove 12 Drohnen nach Spitzbergen bringen.

„Wir werden die Drohnen nun im Feld testen. Anschließend können sie trainieren, Entscheidungen im Flug zu treffen“, sagt Pirk.

Ziel ist es, Drohnen in verschiedenen Observatorien in der Arktis einsetzen zu können, wo es derzeit besonders an Beobachtungsdaten mangelt.

„Das ACTIVATE-Projekt wird sich über fünf Jahre erstrecken und ich glaube, dass die Messkampagnen im Laufe des Projekts größer und komplexer werden“, sagt Pirk, der im Sommer 2025 zwölf Drohnen auf Spitzbergen einsetzen will.