TUM-Forschungsteam misst Vulkangase erstmals autonom aus der Luft
Forschende der TUM haben ein lasergestütztes Drohnensystem entwickelt, das Gaskonzentrationen über Vulkanen präziser misst als bodengestützte Verfahren. Das Verhältnis von Kohlendioxid zu Schwefeldioxid liefert dabei wichtige Hinweise auf bevorstehende Ausbrüche.
Symbolbild: unsplash.com/Ása Steinarsdóttir
Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich Gaskonzentrationen über Vulkanfeldern präziser als bisher bestimmen lassen. Das System kam auf der Liparischen Insel Vulcano vor Sizilien erstmals autonom zum Einsatz und nutzt Laserstrahlen, die an Flugrobotern reflektiert werden.
Warum das Gasverhältnis über Vulkanen so aufschlussreich ist
Steigt Lava im Erdinneren zur Oberfläche auf, treten vermehrt Gase aus. Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen gelten dabei als verlässliche Indikatoren für die aktuelle Aktivität eines Vulkanfeldes. Besonders das Verhältnis von Kohlendioxid zu Schwefeldioxid lässt Rückschlüsse auf Vorgänge unter der Erdoberfläche zu, da sich die Löslichkeit beider Gase im Magma mit dem Druck und damit der Tiefe verändert. Vor einem Ausbruch verschiebt sich dieses Verhältnis häufig deutlich, wie Forschungen am Ätna, auf den Liparischen Inseln und den Phlegräischen Feldern bei Neapel zeigen.Bislang mussten solche Messungen jedoch vom Boden aus erfolgen. Das brachte ein methodisches Problem mit sich: Die gemessenen Gase stammten nicht ausschließlich aus vulkanischer Aktivität, sondern auch von umgebenden Pflanzen und dem Boden selbst. Diese Hintergrundsignale erschwerten eine genaue Einordnung der tatsächlichen Vulkanaktivität.
Messung aus der Luft statt vom Boden
Um dieses Problem zu umgehen, setzt das TUM-Team nun auf Flugroboter, die direkt über die Gaswolken fliegen. Das Prinzip: Ein am Boden montierter Laser findet eine Drohne in der Luft automatisch und richtet sich auf einen an ihr befestigten Reflektor aus. Der reflektierte Strahl durchquert dabei die Gaswolke und schwächt sich entsprechend der Kohlendioxidkonzentration ab, die er auf seinem Weg absorbiert.
Während die Drohne in bis zu 60 Metern Entfernung zum Laser eine festgelegte Route abfliegt, nimmt das System innerhalb von zehn bis 15 Minuten bis zu 3.000 Messungen vor. Ein Algorithmus verarbeitet diese Daten anschließend zu einer Karte, die die Gaskonzentration in einer bestimmten Höhe abbildet, wobei auch die Windverhältnisse vor Ort einfließen. Vorab durchgeführte Windkanaltests bestätigten die Genauigkeit der Methode mit einer Abweichung von etwa fünf Prozent.Ein zweites Forschungsteam um Thorsten Hoffmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz verfolgt einen anderen Ansatz und stattet die Drohnen selbst mit Sensoren aus, die Gaskonzentrationen mittels photometrischer oder elektrochemischer Messzellen direkt in der Vulkanfahne bestimmen. Langfristig soll laut TUM-Forschungsteam auch die Auswertung der Daten automatisiert und mithilfe künstlicher Intelligenz interpretiert werden.