Die Drohnen-Feuerwehr

Allerdings: Sind viele Menschen im Suchgebiet unterwegs, funktioniert die Künstliche Intelligenz nicht. Denn sie kann zwar erkennen, ob sich ein Mensch auf einem Bild befindet, doch Menschen voneinander unterscheiden kann sie nicht. Dafür ist sie auf gleichmäßigem Terrain wie in Waldgebieten ausgesprochen zielsicher. Das ist entscheidend, wenn das System etwa bei einem ausgedehnten Waldbrand eingesetzt würde. In der freien Landschaft findet die KI in 87 bis 100 Prozent der Fälle die Vermissten, sagt Thomas Niedzielski in einer Fallstudie. Auch in Cergowa schlägt die Künstliche Intelligenz an. Sie hat einen Mann am Waldrand entdeckt. Die Suchtrupps laufen los. Ob sie noch rechtzeitig ankommen, wissen sie nicht.

Autonomer Suchflug ohne Kollision

Wie zeitkritisch Suchaktionen sind, weiß man auch in den Alpen. Deshalb hat die Schweizerische Rettungsflugwacht Rega eine eigene Drohne entwickelt und gebaut, die vor Sensoren zur Personensuche nur so strotzt. Der leuchtend rote Miniatur-Helikopter mit einem Rotordurchmesser von fast drei Metern muss derzeit noch von einem Drohnenpiloten per Fernsteuerung in die Luft manövriert werden. Einmal in der Höhe angelangt, fliegt er dann unter den wachsamen Augen des Piloten sowie von Analysten selbstständig einen vordefinierten Suchpfad ab. Damit er dabei nicht mit anderen Flugobjekten kollidiert, ist er mit einem Warngerät ausgestattet, wie es auch in Segelflugzeugen eingesetzt wird.

Der kleine, „FLARM“ genannte Kasten ist etwa so groß wie eine Kaugummischachtel und ermittelt per GPS und Barometer die genaue Position der Drohne. Ein Algorithmus berechnet zudem die wahrscheinliche Flugroute und sendet diese Daten dann über Funk an sämtliche Flugzeuge in der Umgebung. Stünde eine Kollision bevor, wären zumindest die anderen Fluggeräte gewarnt.

Während des Fluges wirft ein Operator der Rettungsflugwacht in der Kommandozentrale ein wachsames Auge auf den Flug der Drohne. Auf mehreren Monitoren sieht er Live-Bilder ihrer Bordkamera, aber auch ein 3D-Modell der umgebenden Berge – inklusive Hindernisse wie Stromkabel, denen die Drohne ausweichen muss. Einmal in der Luft, navigiert sie von selbst entlang vordefinierter Wegpunkte. Der Operator fliegt dabei nicht auf Sicht – die durch ein zerklüftetes Gelände in den Bergen ebenso verdeckt werden kann wie durch den Rauch eines lodernden Wald- oder Buschfeuers –, sondern bleibt per Mobilfunk mit der Drohne in Verbindung. Bricht der Kontakt ab, kehrt das Flugobjekt selbstständig zur Basis zurück.

Der Clou an dem Schweizer Miniatur-Helikopter ist seine Ausstattung für die Suche von Vermissten. Eine kleine schwarze Box, der „Lifeseeker“, ortet Mobiltelefone auch in Funklöchern. Das Ortungsgerät macht die Drohne zu einem mobilen Sendemast, mit dem sich das Handy eines Vermissten verbinden kann. Der Mensch muss dafür gar nichts tun. Die Software, die sich direkt im Lifeseeker befindet, berechnet blitzschnell aus den Einwahldaten die genaue Position, liest die wichtigsten Handydaten aus und schickt alles an die Retter.

Kameras und Prozessoren an Bord

Wer sein Mobiltelefon zuhause gelassen hat, kann von der Rega-Drohne trotzdem autonom aufgespürt werden. Denn in einer grauen Kapsel am Bauch der Drohne stecken Infrarot- und normale Kameras sowie Mikroprozessoren für die unmittelbare Erkennung von Personen am Boden. Die Software an Bord durchsucht die Bilder Pixel für Pixel nach Mustern, die Personen ähneln. Das Wissen dafür hat sie sich mit der KI-Methode „Deep Learning“ angeeignet und dazu mehr als 40.000 Bilder mit Menschen in allen möglichen Posen analysiert.

Eine Besonderheit der Suchkapsel ist, dass sie tagsüber aufgenommene Bilder und nächtliche Infrarotbilder übereinanderlegt. Das reduziert nicht nur die Fehlerquote. So könne die Kapsel außerdem nachts oder durch Schatten verdeckte Menschen aufspüren, schreibt ihr Erfinder, der Informatiker Timo Hinzmann von der ETH Zürich in seiner Doktorarbeit. Weil die Drohne auch wetterfest ist, kann sie jederzeit abheben und auf Personensuche gehen. Das hat sie in vielen Tests gezeigt. Ein Einsatz der Technik im Ernstfall steht zwar noch aus, doch sie kam bereits zur Früherkennung von Waldbränden im Tessin zum Einsatz.

In Kalifornien bereits Routine

Im USA-Bundesstaat Kalifornien gehören Drohnen bei den Tausenden Waldbränden jedes Jahr längst zur Standardausrüstung der Einsatzkräfte. Noch vor Sonnenaufgang steigen die weiß-roten Starrflügeldrohnen der kalifornischen Forstbehörde auf, um weitläufige Waldgebiete abzufliegen und Bilder von aufsteigenden Rauchschwaden an die Kommandozentrale zu liefern. Wird ein brennendes Waldstück gefunden, fliegen die Feuerwehrleute am Boden zuerst den Waldbrand mit Quadrocoptern ab, um die Glutnester zu finden. Dann erst beginnen sie mit der Brandbekämpfung.

Dazu gehört nicht nur das Löschen von Feuern, sondern auch das gezielte Freibrennen von Schneisen, um dem Feuer den Weg abzuschneiden. Feuerwehrleute laufen dazu mit so genannten Drip Torches durch das Dickicht. Aus diesen Kanistern tröpfelt brennendes Benzin auf den Boden, das trockenes Gras und Äste entzündet. Dort, wo die Feuerwehrleute auch mit ihren dicken Schutzanzügen nicht hinkommen, steigen gelbe Helikopter auf und werfen kleine Brandkugeln ab. Allerdings sterben immer wieder Feuerwehrleute bei den riskanten Einsätzen.

„Dracheneier“ verhindern Brände

Deshalb hat ein Ingenieur der University of Nebraska ein automatisches Abwurfsystem für Brandkugeln entwickelt und einer Drohne unter den Bauch geschnallt. Mechanisch betrachtet ist IGNIS einfach gestrickt. Ein Trichter ist mit Hunderten Pingpong-Bällen gefüllt, in denen ein grünliches Kaliumsalz steckt. Je ein Ball rutscht nacheinander in eine Halterung. Dort drückt eine Spritze Frostschutzmittel in den Ball. Danach wirft ihn die Drohne sofort ab. Etwa 30 Sekunden nach der Injektion reagieren Kaliumsalz und Frostschutzmittel heftig miteinander, und die Kugeln fangen im trockenen Gras Feuer.

„Die Feuerwehrleute können das System so einstellen, dass es auf einem vordefinierten Flugpfad alle paar Meter eines dieser Dracheneier fallen lässt“, sagt Carrick Detweiler, der Erfinder von IGNIS. Das Abwurfsystem berechnet dabei außerdem die Windgeschwindigkeit, Ausweichmanöver und ein Beschleunigen oder Bremsen des Drohnenpiloten mit ein, damit die Kugeln immer im richtigen Abstand auf dem Boden landen. Die Piloten können vor dem Beginn einer Mission selbst entscheiden, ob sie die Drohne manuell steuern oder anhand von Wegpunkten lieber autonom fliegen lassen.

„Autonome Flüge entlang von Wegpunkten kommen vor allem beim kontrollierten Abbrennen infrage, weil dort vorab klar ist, wohin die Drohne muss“, sagt Detweiler. Diese Form des Feuermanagements werde häufig eingesetzt, um Waldbränden vorzubeugen. In den letzten 100 Jahren hat die US-Regierung viel dafür getan, um aufkeimende Waldbrände innerhalb weniger Stunden zu ersticken. Das rächt sich nun. Denn so sammelten sich mit der Zeit immer mehr trockene Stämme, Äste und Blätter an, die erst recht als Zunder für ausufernde Waldbrände dienen. Ein kontrolliertes Abbrennen nimmt einem späteren Feuer diese Nahrung.

Detweiler hat mit seiner Idee ein Start-up-Unternehmen gegründet. Er kauft kommerzielle Drohnen von der Stange, stattet sie mit IGNIS aus und verkauft sie dann als Komplettpaket, samt selbst entwickelter Software. Sein größter Kunde ist die US-Forstbehörde, die Hunderte der modifizierten Brand-Drohnen gekauft hat, um vor allem in Kalifornien und Texas die dort jährlich tausendfach auflodernden Waldbrände in Schach zu halten. Das Geschäft läuft so gut, dass sich Detweiler eine lange Auszeit von seiner Professorenstelle genommen hat, um sich vollständig IGNIS zu widmen.

Mensch schlägt Drohne

Einer seiner ersten Kunden war der Biologe Brett Lawrence aus Texas. Er arbeitet bei einem Unternehmen, das für private Landbesitzer und den Staat regelmäßig Grassteppen und Unterholz abfackelt. „Bevor wir mit den Jeeps und Drohnen ausrücken, müssen wir erst ans Reißbrett“, berichtet Lawrence. „Wir zeichnen auf Karten das genaue Gebiet ein, das wir mit den Drohnen abfliegen und abbrennen werden.“ Erst am Einsatztag entscheidet sich dann, ob die Wetterbedingungen stimmen. Es darf nicht zu heiß und trocken sein. Sonst kann das Feuer schnell außer Kontrolle geraten.

Lawrence ist selbst Drohnenpilot. Zwar nutzt er die IGNIS-Software, um die wichtigsten Abwurfpunkte einzuzeichnen, doch anschließend fliegt er die Strecke am liebsten von Hand. Bei einem heiklen Vorgang wie Feuerlegen verlässt er sich lieber auf die eigene Flugexpertise, weil gelegentlich Fehler auftreten könnten. Lawrence hält ein staubiges IGNIS-Vorgängermodell in die Kamera, mittlerweile ein Museumsstück. An der Unterseite befinden sich zwei große Frostschutz-Spritzen. „Der Motor der Spritzen fiel leider manchmal aus, und die Kugeln landeten nicht dort, wo sie sollten“, klagt er.

Der Wildbiologe wollte wissen, wie gut die Dracheneier im Vergleich zum Abbrennen mit Drip Torches funktionieren. Deshalb analysierte er 58 kontrollierte Feuer in Texas und Louisiana und veröffentlichte Anfang 2023 eine Studie darüber. Dabei stelle sich heraus, dass die Drohnen in derselben Zeit wesentlich größere Flächen abbrannten. „Doch die Fläche ist nicht ausschlaggebend“, sagt Lawrence. „Uns interessiert überdies, wie sehr die Flammen hochschlagen. Baumstämme wollen wir nicht oberhalb einer gewissen Höhe ansengen, damit sie sich erholen können. Aber trockenes, totes Material, das am Boden liegt, wollen wir loswerden.“

Die Studie des Biologen aus Texas zeigt ein durchwachsenes Resultat. Die Brände der Drohnen waren häufig zu schwach, um den trockenen Zunder am Boden komplett abzuräumen. Weil die Dracheneier nur punktförmig Feuer entfachen, entsteht manchmal keine durchgängige Feuerlinie, wie sie ein Feuerwehrmann mit einer Drip Torch zieht. Deshalb bleiben manche Stellen vom Feuer verschont. Lawrence empfiehlt dennoch den Einsatz der Dracheneier – schon zum Schutz der Feuerwehrleute, die ihr Leben nicht länger beim Feuerlegen riskieren müssen.

Ein Risiko für den Löscheinsatz

Doch Drohnen können auch zur Gefahr werden, wenn sie gemeinsam mit bemannten Löschflugzeugen und Helikoptern aufsteigen. Das Risiko einer Kollision ist so groß, dass die kalifornische Feuerwehr die Waldbrandbekämpfung abbrechen muss, sobald sich Drohnen von Journalisten oder Schaulustigen der Flugzone nähern. Im August 2023 kam es fast zur Katastrophe, als ein Löschflugzeug der texanischen Forstbehörde in letzter Sekunde einer Hobby-Drohne auswich. „Die Piloten der Löschflugzeuge sehen die kleinen Drohnen nicht durch die Windschutzscheibe. Auf Sicht können sie ihnen also nur schwer ausweichen“, sagt Joey Mercer von der US-Luft- und Raumfahrtbehörde NASA. Der Psychologe erforscht, wie Menschen, Drohnen und Flugzeuge besser miteinander kommunizieren können. Mercer hat in einem Forschungsprojekt einen Navigationskoffer für Drohnenpiloten gebaut. Er enthält ein Kollisionswarngerät samt GPS sowie einen Monitor. Darauf sehen Drohnenpiloten in Echtzeit alle Löschflugzeuge und Drohnen der Umgebung und können notfalls ausweichen.

Jetzt arbeitet Mercer an einem großen Nachfolgeprojekt, das alle Fluggeräte selbstständig miteinander kommunizieren lässt, die während eines Waldbrandes etwa gleich hoch fliegen. „Unser Ziel ist, dass Drohnen und Flugzeuge auch bei schlechter Sicht Löschmissionen fliegen können“, sagt Mercer. Dazu müssten sie autonom miteinander kommunizieren. Um das zu ermöglichen, arbeitet Mercers Team an Techniken zu einer einheitlichen und schnelleren Datenübertragung, damit Flugzeuge und Drohnen besser miteinander kommunizieren.

Wärmebilder verraten Glutnester

Auch wenn es in Städten brennt, setzen Feuerwehren immer häufiger Drohnen ein. Als im August 2023 in Phoenix ein großer Schrottplatz in Brand geriet, war die Feuerwehr zwar schnell zur Stelle. Aber Captain Kenny Overton erhielt einen Anruf seines Kommandanten: „Der Rauch ist zu dicht, wir sehen nicht, wo es brennt.“ Wenig später hielt Overton mit seinem SUV rund 150 Meter neben dem Schrottplatz. Innerhalb von drei Minuten ließ er eine Drohne steigen, die Wärmebilder auf seine Fernbedienung lieferte. Sie erspähte innerhalb weniger Minuten heiße Stellen auf den Blechdächern.

Der Feuerwehrkommandant verfolgte den Einsatz live auf einem iPad mit. Bei jedem Drohneneinsatz schickt Overton einen Live-Stream an die Einsatzleiter. Die können dann bei dichtem Rauch an Ort und Stelle entscheiden, wohin sie die Brandbekämpfer schicken. „Beim Durchschalten der Wärmebildkamera fiel mir etwas abseits ein Schuppen auf“, berichtet Overton. „Er brannte nicht, war aber glühend heiß.“ Die Kameraden des Feuerwehrkommandanten öffneten den Schuppen, ihnen schlugen Flammen brennender Gase entgegen. Ohne die Drohne hätten sie es wohl zu spät entdeckt, und das Feuer hätte auf die umliegenden Wohnhäuser übergegriffen.

Kenny Overton fliegt seine Drohne am liebsten per Hand, weil er sie so am schnellsten abseits vom Rauch hoch über einem Brandherd schweben lassen kann, wo sie freie Sicht auf das Feuer hat. Das müsste er aber nicht, denn seine Skydio-Drohne kann vollständig autonom fliegen. Sie lässt sich so einstellen, dass sie beispielsweise ein brennendes Haus ganz umrundet und dabei ständig Livebilder sendet. Hindernissen wie Laternenmasten weicht sie selbstständig aus. Wer sich ein Funkmodul in die Tasche steckt, dem folgt sie beim Einsatz sogar schwebend über der Schulter.

Das Team der Feuerwehr in Phoenix schickt die Drohne bei unbekannter Gefahr als Vorhut in Häuser. So hatten in einem Lager Lithium-Akkus gebrannt. Overton manövrierte die Drohne vorsichtig durch die Gänge, um sicherzustellen, dass die Palette mit den schwer löschbaren Batterien ausgebrannt war. Dann erst rückte das Team in Schutzanzügen vor, um die letzten Glutnester zu löschen. Wieder flog Overton manuell – auch, um die Drohne zu schonen. Zwar kann sie auch in Gebäuden autonom fliegen, doch einen direkten Kontakt mit den Flammen würde sie nicht überstehen.

Feuerfeste Kugel aus der Schweiz

In ein brennendes Haus fliegen könnte die Skydio-Drohne also nicht. Dabei wäre genau das wichtig, damit Feuerwehrleute vor entgegenschlagenden Flammen gewarnt wären. Diese Lücke schließt jetzt eine neue feuerfeste Drohne der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa. Auf den ersten Blick erinnert die „FireDrone“ mit ihrem stämmigen, kugeligen Rumpf an eine Kreuzung aus Teslas Cybertruck und den Todesstern aus „Krieg der Sterne“. Die Form hat einen guten Grund. Um hohen Temperaturen möglichst gut zu trotzen, ist eine Kugeloberfläche ideal.

Feuerfest ist die Drohne aber wegen ihrer speziellen Hülle. Die besteht aus einem speziellen Aerogel, einem ultraleichten Material, das zu mehr als 95 Prozent aus Poren besteht. Dank dieser Lufttaschen isoliert es hervorragend gegen Hitze. Allerdings schrumpft es bei hohen Temperaturen, was die Elektronik im Inneren der Drohne zerdrücken würde. „Deshalb haben wir das Aerogel mit Glasfasern durchzogen, wodurch die Hülle auch bei Hitze ihre Form behält“, sagt Versuchsingenieur David Häusermann, der die Drohne gebaut hat.

Von außen hat er die Hülle der FireDrone mit Aluminium bedampft, um einen Teil der Hitze abzustrahlen. Rotorarme und Rotoren sind mit Aluminium umwickelt. Die Temperaturen wären damit im Innenraum aber immer noch zu hoch. Daher steckt im Bauch der Drohne eine Mini-Klimaanlage. Aus einer Kartusche verdampft CO₂ und hält so Batterie und Elektronik unter 40 Grad Celsius, auch wenn außen mehrere Hundert Grad Hitze herrschen. FireDrone ist auch mit einer Tageslicht- und einer Infrarotkamera ausgestattet. Damit die Kameras nicht schmelzen, hat Häusermann sie hinter feuerfeste Linsen gepackt.

Testflug über dem Grill

Häusermann hat bei der Entwicklung viele Gespräche mit der Feuerwehr geführt. Die würde die FireDrone etwa bei Bränden in Tiefgaragen einsetzen, wo von außen der Blick auf den Brand versperrt ist. Auf einem Übungsgelände bei Zürich hat die FireDrone auch schon ihre Feuertaufe bestanden, wie Häusermann in einer Studie berichtet. Unter Aufsicht der Feuerwehr schwebte die Drohne durch einen überdimensionalen Gasgrill. Sowohl ihr Innenleben als auch die Hülle blieben intakt. Bis zu einem Echteinsatz dürfte aber noch einige Zeit vergehen.

In Polen läuft derweil der Echteinsatz einer Drohnenrettung immer noch auf Hochtouren. Die Bergretter eilen zum Waldrand, wo die Künstliche Intelligenz von Tomasz Niedzielski beim Auswerten von Drohnenbildern einen vermissten 65-Jährigen erspäht hat. Der Alzheimerpatient liegt schon seit mehr als 24 Stunden unter einem Baum. Dann das Aufatmen der Retter. Der Mann ist wohlauf. Es ist einer von inzwischen mehr als 1.000 Fällen weltweit, wo eine Drohne bei der Rettung eines Menschen geholfen hat.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…