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EIN HOCHSEETESTFELD FÜR DROHNEN


Drohnenmagazin - epaper ⋅ Ausgabe 4/2019 vom 08.10.2019

Die Meerwasserumgebung auf hoher See ist für die unbemannte Technik immer noch eine Herausforderung. Auch starke Luftströmungen ringen einer Drohne einiges ab. Fraunhofer hat vor Helgoland ein eigenes Testfeld eröffnet, in dem Forscher unbemannte Technik erproben können: in der Luft, aber vor allem auch unter Wasser.


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FOTOS: FRAUNHOFER IFAM

Mit der Vernetzung ihrer Kompetenzen zu Materialien, Elektromobilität und Künstlicher Intelligenz wollen die Forscher ihre Entwicklungen im maritimen Bereich erweitern und für Wirtschaft und Wissenschaft gleichermaßen eine Forschungsumgebung unter anwendungsnahen ...

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... Umweltbedingungen zur Verfügung stellen, schließlich zählt die maritime Wirtschaft zu den wichtigsten Industriebranchen. Um diesen leistungsfähigen Wirtschaftszweig zu sichern und auszubauen, sind Produkte und Dienstleistungen auf höchstem Niveau notwendig. Hohe Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit werden gestellt und die Digitalisierung in den maritimen Bereichen gilt gleichfalls als Herausforderung.

Um diesem Anspruch gerecht werden zu können, sind Versuche und Langzeittests unter anwendungsnahen Bedingungen unverzichtbar. Helgoland bietet dafür ideale Bedingungen: Es ist ein Hochseegebiet mit den typischen rauhen Wind-, Wasser- und Wetterverhältnissen und außerdem weit genug draußen, um ungestört arbeiten zu können. Jörg Singer, Bürgermeister auf Helgoland, sagt: »Helgoland ist die weltweit erste Offshore-Windenergie-Serviceinsel in der Nordsee. Die aktuellen und geplanten Entwicklungen passen zu den bereits vorhandenen Aktivitäten und unterstreichen die Attraktivität Helgolands als Reallabor für die Entwicklung von Zukunftstechnologien«.

Auch in der maritimen Welt nimmt die Bedeutung unbemannter Systeme immer weiter zu. Waren es früher seltene Forschungsvorhaben, bei denen Tauchroboter in unbekannte Tiefen vordrangen und Aufgaben erledigten, wird es in der Zukunft ein festes Aufgabengebiet für unbemannte maritime Schwimmund Tauchtechnik geben.

ÜBER- UND UNTERWASSERROBOTIK

In ihren Forschungsschwerpunkten ergänzen sich die beteiligten Fraunhofer Institute, sodass in der Zielsetzung an der Entwicklung und Erprobung von komplexen Robotersystemen gearbeitet werden kann, die sowohl unter und auf dem Wasser als auch in der Luft autonom und intelligent agieren. Sie sollen in der Lage sein, Inspektions-, Wartungs- und Reparaturarbeiten auf hoher See durchzuführen, um den Menschen bei diesen gefährlichen Arbeiten zu entlasten. Zur Erfüllung dieses breiten Aufgabenspektrums müssen die Luft- und Wasserfahrzeuge mit effizienten elektrischen Antrieben, einer umfangreichen Sensorik, Sensordatenerfassung- und Auswertung sowie entsprechenden Algorithmen zur autonomen Durchführung komplexer Missionen ausgestattet sein. Der Nachweis der Zuverlässigkeit dieser Hard- und Software unter realen Umgebungsbedingungen steht im Vordergrund der gemeinsamen Entwicklungsarbeiten. Neben der Logistik an Land gehört zu dem Testzentrum für maritime Technologien ein Testfeld unmittelbar vor der Insel, das mit einer Fläche von einigen Quadratkilometern und einer Wassertiefe von bis zu 45 Metern viel Raum für verschiedenste Erprobungsszenarien bietet. Eine Kennzeichnung des Areals für die Schifffahrt mit entsprechenden Tonnen ist im Frühjahr 2020 geplant. Bei der Eröffnung wurde die erste »Tonne« dann auch durch Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik – mit Blick in die Zukunft des Vorhabens – gemeinsam symbolisch »getauft«. Die beiden Institutsleiter des Fraunhofer IFAM, Prof. Dr.-Ing. Matthias Busse und Prof. Dr. Bernd Mayer sind sich einig, dass das Testzentrum die jahrelangen maritimen Forschungsaktivitäten des Instituts auf Helgoland zu Korrosions- und Bewuchsschutz hervorragend ergänzt. Insbesondere die neuen Themen wie die Elektrifizierung von Schiffsantrieben, die Zuverlässigkeit und Effizienz von Antriebssystemen für Unterwasserfahrzeuge und elektrische Energiespeicher für Über- und Unterwasseranwendungen gewinnen dabei an Bedeutung.

Auch der Teamleiter für Maritime Robotik des beteiligten DFKI Robotics Innovation Center, Leif Christensen, ist sich sicher: »Künstliche Intelligenz und Robustheit sind Kernfunktionen für Unterwasserroboter. Mit diesen Systemen wird es möglich sein, nachhaltig maritime Ressourcen zu bewirtschaften, Sicherheit und Zuverlässigkeit maritimer Energieproduktion aufrechtzuerhalten und eine gezielte, langfristige Erforschung maritimer Lebensräume zu gewährleisten. Dieses Forschungsareal wird es uns ermöglichen, die Labormuster und Prototypen zu praktisch einsetzbaren Produkten weiterzuentwickeln und der Wertschöpfungskette zuzuführen. Daraus wiederum werden sich neue Fragen und Problemstellungen für die Wissenschaft ergeben, die einen wichtigen Beitrag zur Fortentwicklung der Künstlichen Intelligenz leisten«.

Fliegende Drohne trifft auf schwimmende Drohne – bei dem Projekt der Fraunhofer-Gesellschaft wird erstmals der Verbund von unbemannten Geräten über die Wasser-Luft-Grenze hinweg getestet.

ERSTES FORSCHUNGSPROJEKT STEHT FEST

In einem öffentlich geförderten Projekt soll zusammen mit einem Industriekonsortium ein neuartiges Gründungsverfahren für Tragstrukturen von Offshore-Windkraftanlagen erprobt werden. Das neuartige Verfahren kommt ohne den sonst üblichen Unterwasserlärm aus, der entsteht, wenn die Stützen in den Meeresboden gerammt werden, der die empfindlichen Meeressäuger bekanntermaßen stört. Die dabei im Testfeld entstehende Stahlstruktur soll über das Projekt hinaus als Prüfkörper und Testplattform weiteren Nutzern zugänglich gemacht werden.

Darüber hinaus können Unternehmen, die für die Entwicklung robuster und zuverlässiger Systeme geeignete Testumgebungen suchen, das Know-how sowie das Dienstleistungsangebot des Testzentrums für maritime Technologien nutzen. Angeboten wird die Planung, Durchführung und Auswertung für anwendungsbezogene Leistungsbewertungen im Testfeld. Zusätzlich können erfahrene Techniker in den Bereichen Logistik, Engineering, Werkstatt und Leitstand zur Verfügung gestellt werden.

TESTUMGEBUNG FÜR DROHNEN

In etwa zwei Jahren soll es in dem Testfeld auch Strukturen über Wasser geben, die eine Offshore-Windkraftanlage simulieren sollen. Die Inspektion solcher Bauwerke auf hoher See sind immer noch die kostenintensivsten Vorhaben für jeden Betreiber. Ein Service-Schiff mit Wartungspersonal verschlingt um die 10.000 Euro am Tag und wenn bei hohen Wellen die Arbeiter seekrank werden oder ein Überstieg vom Service-Schiff auf die Struktur vor Ort nicht möglich ist, dann kostet ein solcher Fehleinsatz dennoch das gleiche Geld. Ein Schiff hält die Offshore-Umgebung problemlos aus – wieder einmal ist der Mensch der limitierende Faktor.

Während der Tauchroboter nach unten sinkt, steigt der Multikopter nach oben (Bild unten). Eine mögliche Anwendung könnte sein, dass beide Systeme miteinander Daten austauschen und diese für Industrieanwendungen zur Verfügung stellen.

UAV können hier wichtige Aufgaben übernehmen, sie können Schadstellen an der Infrastruktur lokalisieren und in der Zukunft eventuell sogar selbst beheben. "Ob das dann immer dieselbe Drohne ist, die das alles in einem Arbeitsgang macht, oder ob die Stellen nur markiert und später mit einer speziellen Wartungsdrohne automatisiert abgearbeitet werden, das muss sich noch zeigen", sagt Dr. Hanno Schnars, Leiter des Geschäft sfeldes für maritime Technologien beim Fraunhofer IFAM. Immerhin müsste ein Wartungs-UAS die Schadstellen reinigen, die Oberflächen notfalls aufrauhen und dann möglicherweise ein Klebepatch anbringen, um das Metall vor der salzhaltigen und agressiven Umgebung der Nordsee so schnell wie möglich zu schützen.

Die Forscher sehen eigentlich drei Szenarien, eine Drohne in das Testfeld zu bringen, das drei Seemeilen (etwa 5,5 Kilometer) vor Helgoland liegt: zum einen könnte das UAV von der Insel aus starten, was wegen der begrenzten Akku-Reichweite und dem Ausgleich der oft stürmischen Windverhältnisse nicht ohne Schwierigkeiten bleibt. Das UAV könnte aber auch schon direkt im Testfeld positioniert sein und würde quasi aus der Entfernung gesteuert. Allerdings gelten für Drohnen auf Helgoland auch die VLOS-Bestimmungen wie auf dem Festland. Derzeit einzig möglich bleibt der Flug von einem Schiff aus, was aber neue Herausforderungen mit sich bringt: Das Schiff smetall beeinflusst den Kompasssensor der Drohne und der Drohnenpilot darf nicht seekrank werden, wenn das Boot unter ihm schwankt, die von ihm beobachtete Drohne in der Luft aber nicht.

Denkt man einen Schritt weiter, wäre ein Ausbildungsangebot zum Off shore-Drohnenpiloten die logische Konsequenz. Auch die Wartung von Off shore-Drohnen könnte ein ganz neues Geschäft smodell sein. Fraunhofer hat das off enbar bereits auf dem Schirm – allerdings haben die Unterwasserdrohnen jetzt erstmal Priorität.