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Drohne mit hochauflösender Kamera

Quelle: Fotolia / nesterenko_max

Sie sind klein, wendig und flexibel einsetzbar. Drohnen werden seit einigen Jahren immer beliebter. Besonders Hobby-Filmer und Fotografen nutzen die unbemannten Miniaturflieger und haben so eine neue Ästhetik etabliert, die sich auf zahlreichen Instagram-Profilen und in Naturdokumentationen bestaunen lässt. Mit Kameras ausgestattete Drohnen erlauben Luftaufnahmen, die bisher nur mit großem logistischen Aufwand (beispielsweise mit Hubschraubern) möglich waren.

Was viele nicht wissen: Drohnen können mehr, viel mehr. Sie sind derzeit dabei, zahlreiche Branchen nachhaltig zu verändern und haben das Zeug dazu, der Freund und Helfer von morgen zu sein – richtige Anwendung vorausgesetzt.

Einsatzgebiete

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Erkundung, Kartierung, Rettungsmissionen – das sind aktuell die vielversprechendsten Einsatzgebiete der autonomen Fluggeräte. Aber auch beim Transport von Gütern und Personen gibt es großes Potenzial.

Wenn Wege schnell zurückgelegt werden müssen, sind Drohnen in Großstädten oder unzugänglichen Gebieten immer häufiger das Mittel der Wahl. In der Schweizer Stadt Lugano kommen sie bereits zum Einsatz: für den Transport von Blutproben zwischen Krankenhaus und Labor (zum Video). Früher erfolgte dies mit dem Taxi – das war deutlich langsamer und umweltschädlicher. „Mit einem Taxi bewegen Sie für den Transport einer 50 Gramm schweren Blutprobe ein Auto, das 1,5 Tonnen wiegt. Eine auf den Blutkonserventransport ausgelegte Lieferdrohne kommt lediglich auf zehn Kilogramm“, sagt Krankenhausdirektor Luca Jelmoni vom Ospedale Regionale Lugano.

Auch bei Rettungsmissionen sind Drohnen wertvolle Helfer. Der große Vorteil: Sie können in Bereiche vordringen, die für Menschen aufgrund von natürlichen Hindernissen oder Schadstoffbelastung zu gefährlich oder unerreichbar sind. Immer mehr Feuerwehren schaffen sich deshalb Drohnen an. Durch die Erkundung aus der Luft gewinnen die Einsatzkräfte schnell und gefahrlos einen Überblick über die Lage bei Großbränden und anderen Havarien.

Drohnen können die Suche nach Vermissten erleichtern und beschleunigen. Dabei helfen Wärmebildkameras, die Menschen auch in unzugänglichem Gelände aufspüren und so wertvolle Zeit sparen. Ein damit verwandtes Anwendungsszenario ist die Tierrettung – speziell das Aufspüren von Rehkitzen vor dem Abernten von Feldern. Drohnen eignen sich dazu hervorragend, denn sie können mit minimalem Aufwand große Flächen nach Tieren scannen, ohne dass Boden oder Bewuchs Schaden nehmen.

Nicht zuletzt die Logistikbranche hat großes Interesse am Drohneneinsatz. Die letzte Meile mit der Drohne ist angesichts der Engpässe auf den Straßen und Schienen ein realistisches Szenario, denn Drohnen benötigen für Start und Landung wenig Platz und sind dadurch für Transportwege in dichtbebauten Großstädten ideal geeignet.

Drohnenpiloten sind Enthusiasten mit Spezialinteressen

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Wie viele Drohnenpiloten kam auch Küpper über das Filmen zum Drohnenfliegen. Das war im Jahr 2015. Damals sollte er eine Schiffstaufe mit Hilfe einer Drohne dokumentieren: „Ich war sofort Feuer und Flamme.“ Seine Verbindung zu verschiedenen Rettungsorganisationen und die vorhandenen Einsatzpotenziale weckten weiteres Interesse für die Technologie.

Drohnenfliegen hat viel mit Enthusiasmus zu tun. Der Fortschritt speist sich nicht zuletzt aus dem privaten Engagement der Piloten und Tüftler, die sich eigeninitiativ weltweit vernetzen und austauschen. Mittlerweile ist eine globale Szene entstanden, die Videos und Fotos ebenso teilt wie gute „Spots“ – Plätze zum Fliegen.

Burkhard Maaß, CTO bei ds.Xpress und UAV (unpiloted aerial vehicle) Pilot Instructor (dt.: Lehrer für unbemannte Luftfahrzeuge), ist noch nicht lange dabei aber bereits mittendrin: „Ich fliege erst seit einem Jahr überhaupt Drohnen. Faszinierend daran finde ich die Herausforderung bei der Steuerung der Fluggeräte: Auch wenn es anfangs so scheint – das Drohnenfliegen ist kein Kinderspiel. Auch die gesetzlichen Bestimmungen und ihre Entwicklung sind spannend: Für Einsätze in bestimmten Gebieten benötigt man eine Lizenz.“

Matthias Winterstein, ebenfalls erst seit kurzem Drohnenpilot, interessiert besonders der juristische Teil. Er ist Notar und sagt: „Fliegen ist spannend, theoretisch und praktisch. Drohnen sind aber kein Spielzeug, sondern ein berufliches Hilfsmittel – für das Ausbringen von Nützlingen, die Landschaftsvermessung oder Inspektionsflüge.“ Ihn treibt beispielsweise das Thema Versicherung um: „Wenn Drohnen Schäden verursachen, muss geklärt werden, wer den Fehler gemacht hat und wer zur Verantwortung gezogen wird.“ Um dies nachzuverfolgen haben Drohnen eine Blackbox, genau wie Flugzeuge.

Bei der Regulierung des Drohnenfliegens müssen viele Aspekte unter einen Hut gebracht und Behörden aufeinander abgestimmt werden. „Straßen, Bahntrassen, Wasserstraßen, Naturschutzgebiete, Privatgrundstücke. Die Rechtslage ist in den meisten Bereichen noch ganz neu und selbst Experten kennen sich noch nicht in allen Bereichen aus, das finde ich spannend“, sagt Winterstein. Auch der Datenschutz und das Recht am eigenen Bild sind ein Thema. Mit Drohnen können in kurzer Zeit sehr gute und sehr viele Aufnahmen gemacht werden.

In den Online-Foren diskutiert die Community über diese rechtlichen Aspekte, über die Einsatzmöglichkeiten, aber vor allem über die Technologie. Weiterentwicklungen werden akribisch verfolgt und von den Enthusiasten teilweise in Einzelarbeit vorangetrieben. Neben den technischen Unterschieden der Fluggeräte selbst geht es dabei vor allem um Zusatzmodule, mit denen immer neue Einsatzszenarien realistisch werden.

Drohnen im Einsatz – Rettung und Erkundung

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In Kooperation mit ds.xpress hat Jørgen Klausgaard ein Abwurfmodul konstruiert. Damit kann Zusatzgewicht von bis zu 250 Gramm an eine Drohne angebracht und in einem Zielgebiet ferngesteuert abgeworfen werden. „Das Abwurfmodul ist aufwendig konstruiert, denn wir benötigen ein gutes Gleichgewicht, um die Drohne nicht zu stark zu belasten und eine gute Befestigung, um die Flugeigenschaften so gut wie möglich zu erhalten“, sagt Klausgaard.

Ursprünglich ausgelegt ist das Modul für einen „ResTube“, einen aufblasbaren Auftriebskörper für die Wasser- und Seenotrettung, beispielsweise bei Eiseinbrüchen. „Das ResTube beinhaltet eine kleine Salztablette, die sich in Wasser auflöst. Dadurch pumpt es sich innerhalb von einer Sekunde auf und das Opfer kann sich festhalten“, erläutert Heinrich Quintero, CEO bei ds.Xpress und UAV Pilot Instructor.

Weitere Einsatzzwecke für das Modul sind unter anderem:

  • das Abwerfen von Notfallpaketen mit Wasser, Protein, Rettungsdecke und Funkgerät,
  • der Transport und Einsatz von Messgeräten für Chemikalien oder Radioaktivität,
  • das Ausbringen von Sonden und meteorologischen Untersuchungsgeräten.

Der Vorteil der kleinen, wendigen Drohnen ist, dass sie auch in unwegsamem Gelände schnell zum Zielgebiet gelangen und sehr nah an zu rettende Personen heranfliegen können. Ein Problem ist die begrenzte Nutzlast und die geringe Akkulaufzeit. Je nach Modell, Gewicht und Wind kann eine Drohne in der Praxis zwischen zehn und 30 Minuten in der Luft sein. Bei Rettungsmissionen kann es womöglich auf jede Sekunde ankommen. Ein Ausweg besteht darin, zwei Drohnen loszuschicken. Eine scannt die Umgebung nach Personen mit Hilfe einer Wärmebildkamera. Die zweite, ausgerüstet mit dem Abwurfmodul, startet später, fliegt direkt zum Zielgebiet und wirft das Notfallpaket ab.

Praxistauglich sind solche Systeme bereits. „Derzeit befinden sich Geräte im Test bei Polizei, DLRG und dem ASB Schleswig-Holstein. Das Abwurfmodul ist fertig entwickelt und serienreif“, sagt Klausgaard. Rechtlich jedoch ist die Nutzung noch nicht möglich, weil das Abwerfen von Gegenständen aus der Luft in Deutschland verboten ist. „Aus gutem Grund“, sagt der erfahrene Pilot Quintero. Denn natürlich sei angesichts der teilweise großen Höhe die Gefahr von Verletzungen oder Beschädigungen groß. Für einige Anwendungen, gerade bei der Personenrettung und im Katastrophenfall, sollten hier jedoch Ausnahmen gemacht werden, fügt er hinzu.

Drohnen im Einsatz – Inspektion

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Ein weiteres Einsatzgebiet für Drohnen ist die Inspektion von Gebäuden und Anlagen. Mit Laser und Kameras vermessen die Fluggeräte etwa kulturell wichtige Stätten. So werden diese für die Nachwelt digital konserviert. Aber auch Baumängel oder Schäden lassen sich mit Drohnen dokumentieren und inspizieren (zum Videointerview).

Ein wichtiges Thema derzeit ist die Wartung von Windkraftanlagen. Durch die Energiewende haben sie in den vergangenen Jahren große Verbreitung gefunden. Die regelmäßige Inspektion dieser Kraftwerke ist unumgänglich, denn die riesigen Rotorblätter der Anlagen sind auf 100 Metern Höhe das ganze Jahr über der Witterung ausgesetzt. Das beansprucht auch das stabilste Metall-Beton-Gemisch enorm.

Für die Wartung werden die Rotoren abgeschaltet und fixiert. „In der Regel ist ein Techniker vom Hersteller der Anlage dabei, um die Anlage zu bedienen. Das jeweils zu untersuchende Blatt wird entsprechend gedreht, um den optimalen Lichteinfall für die Inspektion durch die Drohne zu erreichen. Dann fliegen wir das Blatt ab. Wir machen Fotos und über eine Software ermitteln wir dann eventuelle Risse und deren Beschaffenheit. Diese Daten gehen zu einem Gutachter, der den eventuellen Schaden bewertet, beziehungsweise diesen Anhand der Risse prognostizieren kann“, erklärt Burkhard Maaß, der mit seinem Team den Offshore-Windpark Arkona in der Ostsee mit Drohnen inspiziert. Die Kameras der Fluggeräte erstellen hochauflösende (4K) Bilder der Anlagen. Zusätzlich kommen Laser zum Einsatz, die einen Referenzabstand visualisieren, um die Größenverhältnisse genau bestimmen zu können.
Bereits ab 0,3 Millimeter Durchmesser können Risse zu Wasser- beziehungsweise Frostschäden führen. Metadaten der Bilder zeigen die exakte Position der identifizierten Schwachstellen an. Der Einsatz von Drohnen spart an dieser Stelle nicht nur Zeit, sondern vermindert auch das Risiko. Manuelle Inspektionen müssen von drei Arbeitern mit Kletterausrüstung, die sich gegenseitig sichern, in luftiger Höhe durchgeführt werden.

Rechtliche Vorschriften

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Verbindliche Regeln für den Umgang mit Drohnen hat der Bund bereits 2017 mit der Drohnen-Verordnung (Flyer des BMVI) erlassen. Dabei wird ein sogenannter risikobasierter Ansatz verfolgt. Das bedeutet, dass umso mehr Regeln befolgt werden müssen, je größer die Drohne und somit auch die Gefahren im Worst-Case-Szenario sind:

Die wichtigsten Punkte der Drohnen-Verordnung lauten:

  • Drohnen ab 0,25 Kilogramm Gewicht benötigen eine Kennzeichnungspflicht.
  • Für die Nutzung von Drohnen ab 2 Kilogramm Gewicht benötigt der Pilot einen Kenntnisnachweis (Pilotenlizenz, Prüfung durch anerkannte Stelle, Bescheinigung durch Luftsportverband).
  • Die Nutzung von Drohnen über 5 Kilogramm Gewicht ist erlaubnispflichtig.
  • Der Betrieb von Drohnen bei Nacht ist erlaubnispflichtig.
  • Drohnen dürfen nicht außerhalb der Sichtweite betrieben werden (Für bestimmte Zwecke können Landesluftfahrtbehörden dies erlauben).
  • Drohnen dürfen nicht über sensiblen Bereichen, etwa Einsatzorten von Polizei und Rettungskräften, Krankenhäusern, Menschenansammlungen, Industrieanlagen, JVAs, Naturschutzgebieten, obere Bundes- und Landesbehörden betrieben werden.
  • Drohnen müssen bemannten Luftfahrzeugen jederzeit ausweichen.

Mehr dazu unter: BMVI. Klare Regeln für Betrieb von Drohnen

Die Registrierungspflicht, die Zulassungsverfahren und andere technische Neuerungen sind auch Gegenstand des neuen EU-Rechtsrahmens für Unbemannte Luftfahrtsysteme, der ab 01.07.2020 EU-weit anzuwenden ist. Auf die Bundesregierung und die deutsche Luftfahrverwaltung kommen damit neue Aufgaben zu, insbesondere:

  • die Einrichtung einer zentralen Datenbank zur Erfassung von registrierten Steuerern und Fluggeräten, der Erteilung von Erlaubnissen und der Veröffentlichung von geografischen Zonen sowie
  • die Schaffung von neuen, behördenübergreifenden Prozessen zur Einrichtung und Veröffentlichung von geografischen Zonen.

Drohnen und globale Satellitennavigation

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Für die Orientierung, Steuerung und Fortbewegung nutzen die meisten professionellen Drohnen Satellitennavigation. Sie stabilisiert das Flugverhalten. Beispielsweise gleicht die Satellitennavigation Windeinflüsse automatisch aus und sorgt somit dafür, dass die Drohne auf der Stelle schwebt, wenn das Steuergerät losgelassen wird und keine Bewegung erwünscht ist.

GNNS (global navigation satellite systems) ist ein Sammelbegriff für verschiedene Satellitensysteme, die Positionsbestimmung und Navigation ermöglichen. Das bekannteste ist das amerikanische NAVSTAR GPS (Global Positioning System). Einige Drohnenmodelle können zusätzlich auch das russische GLONASS, das europäische Satellitennavigationssystem Galileo oder das chinesische Beidou nutzen.

Um die Genauigkeit zu erreichen, die für die neuen zivilen Einsatzgebiete von Drohnen notwendig ist, musste die Positionsbestimmung noch weiter verbessert werden. Maaß: „Es gibt dazu ein Real-Time-Kinetic-System wie z.B. den European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), der schon seit einiger Zeit in der Landschaftsvermessung genutzt wird. Dieses System hat feste Bezugspunkte auf der Erde und gleicht diese Punkte mit den gelieferten Signalen aus dem Satellitensystem ab. Dadurch kann die übliche Abweichung der Satellitennavigation von zwei bis 2,5 Metern korrigiert und eine Genauigkeit von bis zu zwei Zentimetern erreicht werden. Das nutzen Landschaftsvermesser, aber auch Schiffe lassen sich so positionieren. Erst damit erreichen Drohnen die für manche Anwendungen benötigte Genauigkeit sowie eine sichere Abdeckung.“

Als Schutz vor Signalverfälschungen stellt das Galileo-System auch einen speziellen Dienst zur Verfügung, der Drohnen mit sicheren Positionssignalen versorgt. Dazu muss ein sogenannter PRS (Public Regulated Service)-Empfänger an die Drohne angebracht werden, der die Flieger vor Manipulationen schützt. Gerade für behördliche Zwecke wie die Überwachung kritischer Infrastrukturen kann dies sinnvoll sein.

Kinderleichte Steuerung? Von wegen…

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Und wie steuert sich eine Drohne? Kleinere Drohnen lassen sich direkt mit dem Smartphone steuern. Die Reichweite ist dann jedoch auf etwa 50 Meter begrenzt, denn für die Verbindung kommt die WLAN-Technologie (2,4 GHz) zum Einsatz. Größere Modelle für den professionellen Einsatz nutzen eine zusätzliche Drohnen-Fernsteuerung. Sie wird meist mit dem Smartphone gekoppelt, das als Display und Rechenzentrale dient. Ihr Transmitter erhöht die Reichweite theoretisch auf mehrere tausend Meter. Beschränkt wird dies jedoch durch den Sichtkontakt, der in Deutschland für den Betrieb von Drohnen vorgeschrieben ist. Für Behörden und besondere Einsatzzwecke besteht auch die Möglichkeit, Drohnen automatisiert einen vorher programmierten Weg abfliegen zu lassen. Diese Option wird beim Beispiel der Blutprobentransporte in der Schweiz genutzt.

Prinzipiell ist eine Drohne leicht zu kontrollieren – aber nur solange das Satellitennavigations-System funktioniert und man immer in eine Richtung fliegt. Bereits spiegelverkehrtes Fliegen ist eine Herausforderung: links wird dann zu rechts, vorwärts zu rückwärts. Ungeübt verliert man schnell die Orientierung. Deshalb gibt es dafür einen speziellen „Headless-Mode“ (dt.: Kopflos-Modus), mit denen sich Drohnen unabhängig von der Ausrichtung immer aus Pilotensicht steuern lassen.

Richtig herausfordernd wird es jedoch, wenn die Verbindung zu den Satelliten ausfällt. „Das kann schon mal vorkommen. Dann sind die unsichtbaren Seile plötzlich weg und die Drohne macht was sie will“, erklärt Heinrich Quintero. Es kommt dann zum sogenannten „Fly Away“ (dt.: „Wegflug“) – die Drohne orientiert sich neu, ähnlich wie das Handy, wenn es ein neues Netz sucht. Sie kann dabei verlorengehen, wenn nicht manuell, also ohne Unterstützung durch Satellitennavigation, gegengesteuert wird. Die Drohnenpiloten sind dann also ganz auf ihre Flugfähigkeiten angewiesen. „Das muss man üben“, sagt Winterstein.

Genau das tun die Piloten bei der Drone Pilot Operator Crew, die mit der Drohnen Akademie Schulungen anbietet. Darin vermitteln die Ausbilder Theorie und Basiswissen zum Drohnenflug und die Schüler üben das Fliegen: drin, draußen und virtuell an der Leinwand. Letzteres wirkt zwar spielerisch, ist aber sehr fordernd und bereitet auf die Übungen im Gelände vor. „Alles was in der Luft fliegen kann, ist kein Spielzeug“, sagt Quintero, der die Drohnenschule mit aufgebaut hat. „Wir sind Ansprechpartner für professionelle Drohnenpiloten, also für Inspektionsflieger, Rettungsdienste, Feuerwehr, Polizei oder für Wartungsteams, die beispielsweise Brücken oder Windkraftanlagen inspizieren. Dafür braucht man eine gute Ausbildung.“ An der Drohnen Akademie können Drohnenpiloten den Kenntnisnachweis erwerben, der für das Steuern von Drohnen ab 2 Kilogramm Gewicht seit dem 1. Oktober 2017 erforderlich ist.

Die Bedeutung des Mobilfunks für den Drohneneinsatz

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Drohnen erobern mit ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten den Luftraum. Sie machen die Welt effizienter und schneller. Um Drohnen möglichst flexibel einzusetzen, wird eine Nutzung außerhalb der Sichtweite von Piloten angestrebt. Auch wenn dies derzeit aus Sicherheitsgründen noch nicht erlaubt ist, arbeiten Forscher und Techniker seit einigen Jahren an einer zuverlässigen Lösung wie das Projekt Connected Drones zeigt. Hier kommt es auf die Datennetze an.

Das Mobilfunknetz ermöglicht zweierlei: die Integration von Drohnen in den Luftraum und die Steuerung der Drohnen. Über das Mobilfunknetz sendet die Drohne ihre Positionsdaten an die Flugsicherung, die dann dafür sorgt, dass die Daten im System dargestellt werden. So erscheinen Drohnen auf dem Radar der Flugsicherung – wichtig für einen geregelten Luftverkehr. Gleichzeitig wird so die Steuerung mittels Tablet oder Smartphone möglich. Zu diesem Zweck führen die Drohnen selbst eine Mobilfunk-Sendeeinheit mit und werden damit zum „fliegenden Smartphone“. Die dadurch realisierbare Steigerung der Reichweite vergrößert das Einsatzpotenzial der fliegenden Helfer enorm.

In Verbindung mit Künstlicher Intelligenz und der Weiterentwicklung von Energiequellen, um die Flugzeit zu erhöhen, könnten Drohnen mit ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zur festen Säule der digitalen Mobilität der Zukunft werden. Heinrich Quintero sagt: „Ich kann mir gut vorstellen, dass man Menschen im Notfall mit Drohnen schnell in ein Krankenhaus bringen kann.“ Vielleicht werden Drohnen in Zukunft auch als Taxis eingesetzt. Einige deutsche Regionen testen dies bereits. Sie sind Teil der von der europäischen Kommission unterstützten Urban Air Mobility (UAM) Initiative. Zu ihnen zählen die Städte Ingolstadt, Hamburg, Aachen, die Region Nordhessen um Bad Hersfeld sowie die deutsch-niederländische Euregio um Enschede und Münster.