Drohnen für Profis

Auch die Firma Quantum Systems aus der Nähe von München bietet Drohnen für den Profibereich an. Ihre Modelle können eine Stunde lang in der Luft bleiben, weil Tragflächen ihnen zusätzlich Auftrieb verleihen. In ihrem Bauch tragen sie verschiedene Sensoren und hochauflösende Kameras für 3D-Aufnahmen, etwa für den Einsatz bei der Landvermessung, bei Filmaufnahmen oder zur Suche nach vermissten Personen.

Etliche Drohnen sind für die Inspektion von Windrädern unterwegs. Sie machen aufwendige und gefährliche Kletterpartien überflüssig. Um zu kontrollieren, ob Blitze in die Windradflügel eingeschlagen haben, ob der Lack abgeplatzt ist oder ob die Oberfläche Löcher hat, müssen sonst Industriekletterer in 100 Meter Höhe an den Rotoren arbeiten. Ein solcher Einsatz dauert mehrere Stunden – so lange muss das Windrad stillstehen und kann keinen Strom erzeugen. Drohnen brauchen für die Inspektion nur etwa ein Achtel der Zeit.

Eine aktuelle Studie der Frankfurter Wirtschaftsberatungsfirma Future Energy Consulting Company belegt, dass die Inspektion per Drohne immer beliebter wird. „Die wichtigsten Gründe für Windparkbetreiber, auf Drohnen umzusteigen, sind die Sicherheit der Mitarbeiter und die geringeren Kosten durch die Zeitersparnis“, sagt Geschäftsführer Andreas Preuß. „Viele der von uns befragten Unternehmen setzen Drohnen sogar auf dem Meer ein.“

Wie ein kleiner Hubschrauber

Etwa die Firma Aero Enterprise, die sich auf die Inspektion von Windkraftanlagen spezialisiert hat. Sie gilt im deutschsprachigen Raum als Marktführer. „Wir sind schon ein wenig stolz darauf, dass man uns als ein österreichisches Unternehmen aus Linz in Norddeutschland so schätzt“, sagt Geschäftsführer Robert Hörmann. Zusammen mit seinem Geschäftspartner Peter Kurt Fromme-Knoch hat er in den letzten Jahren nicht nur eine Drohne in Form eines kleinen Hubschraubers entwickelt, sondern auch spezielle Softwarepakete, um die Inspektion zu automatisieren.

Robert Hörmann war früher Hubschrauberpilot und weiß, dass ein Helikopter herkömmlichen Drohnen – Multikoptern mit mehreren Propellern – im Offshore-Einsatz bei der Aerodynamik überlegen ist. Bei Seitenwind muss sich ein Multikopter schräg zum Wind stellen und die Drehzahl seiner Rotoren erhöhen, um in der Luft voranzukommen. Das benötigt Energie. Dagegen verleiht den aerodynamischen Rotorblättern eines Hubschraubers Seitenwind sogar noch zusätzlichen Auftrieb. „Kurz gesagt: Die von uns entwickelte Hubschrauber-Drohne arbeitet sehr effizient“, sagt Hörmann. Er schickt sie sogar noch bei Windstärke 6, wenn auf den Wellen schon Schaumkronen tanzen, zu den Windradflügeln auf dem Meer hinauf. Industriekletterer dürfen dann längst nicht mehr auf die Anlage.

Vom Computer gelenkt

Die Techniker aus Österreich fahren mit Schiffen hinaus auf die Nord- und Ostsee. Bevor ihre Drohne startet, rufen sie beim Windparkbetreiber an, damit er das Windrad stoppt und den Rotor in die optimale Position dreht. Der Pilot lenkt die Drohne nur beim An- und Abflug. In 50 Meter Höhe übernimmt der Computer. Er lenkt die Drohne einmal um das Windrad herum, definiert im Computerbild die Rotorblätter 1, 2 und 3 – und der Inspektionsflug beginnt. Nach einem festen Schema steigt der Hubschrauber an den Rotorblättern empor, umrundet sie und filmt sie dabei einmal komplett ab. Die Analyse der Bilder übernimmt großenteils der Computer. Die automatische Windradinspektion hat den Vorteil, dass alle Schäden mitsamt der genauen Position von Anfang an digital gespeichert sind. Damit lässt sich später nachvollziehen, wie sich die Schadstellen mit der Zeit verändert haben.

Eigenständige Navigation

Eine der großen Herausforderungen ist es derzeit, sich gänzlich von der klassischen Steuerung per Joystick und Fernbedienung zu verabschieden. Bisher gilt die Regel, dass ein Pilot am Boden seine Drohne nur so weit fliegen lässt, wie er sie noch sehen kann. Experten sprechen von der „Visual line of sight“, kurz: VLOS. Die Zukunft aber gehört den Drohnen, die allein über das Land hinwegschweben, weitgehend selbstständig navigieren und von einer Zentrale aus überwacht werden – so wie heute Flugzeuge durch Lotsen. Man spricht von „Beyond visual line of sight“ (BVLOS), jenseits der Sichtweite. „Erst damit ist der Einsatz einer Drohne wirtschaftlich sinnvoll, weil man nicht für jede einen eigenen Piloten braucht“, sagt der Münchner Forscher Holzapfel.

Drohnen, die eine halbe Tonne Gewicht über größere Strecken tragen können, gibt es bereits. Sie könnten für den Transport zwischen Logistikzentren oder auf großen Werksgeländen eingesetzt werden, aber auch um Blutkonserven oder Hilfsgüter zu transportieren. Allerdings nimmt mit dem Gewicht auch die Gefahr zu. Stürzt ein so schweres Fluggerät ab, kann es großen Schaden anrichten und sogar Menschen töten.

Holzapfel arbeitet mit vielen jungen Drohnen-Firmen zusammen. Gemeinsam entwickeln sie die richtige Lösung für die jeweilige Aufgabe. „Wie eine Drohne aussieht, wie sie angetrieben wird und welche Sicherheitssysteme verbaut werden, hängt in erster Linie von den Missionen ab, die sie künftig fliegen soll“, sagt Holzapfel. „Im professionellen Bereich ist keine Drohne wie die andere.“

Neue Standards müssen her

Mit dem Thema Sicherheit befasst sich der Flugexperte intensiv. Große Flugzeuge werden über viele Jahre entwickelt und gründlich geprüft, ehe sie abheben. Die Sicherheitsstandards sind enorm. Viele Systeme sind gleich mehrfach vorhanden – für den Fall, dass eines ausfällt. „Für den extrem dynamischen Drohnenmarkt und diese vergleichsweise kleinen Fluggeräte, die in Massen produziert werden, wären solche Standards nicht praktikabel“, meint Florian Holzapfel. Die Steuerungssoftware für Flugzeuge etwa wird mathematisch daraufhin getestet, ob sie tatsächlich in jedem Moment die richtigen Entscheidungen trifft. Diese sogenannte Verifikation dauert viele Stunden und ist sehr teuer. Für Drohnen wäre das undenkbar.

Pragmatischer ist hier das „Run-Time-Monitoring“. Dieses Verfahren überprüft, ob die Ergebnisse von Berechnungen sinnvoll sind. Wenn nicht, könnte ein Fehler vorliegen – und das System schlägt Alarm. Die Drohne geht dann in einen sicheren Notfallmodus über: Sie landet, hält ihre Position oder fliegt mit verringerter Leistung an einen Nothaltepunkt. „Mit solchen Verfahren lassen sich Drohnen ausreichend sicher machen“, ist Holzapfel überzeugt.

Besonders sicher seien Multikopter mit mehr als sechs Propellern. Denn fällt ein Propeller aus, halten die anderen das Gerät weiter in der Luft. Entsprechende Software für das sichere Flugverhalten zu entwickeln, zählt der Forscher aus München zu seinen wichtigsten Aufgaben.

Die Zukunft gehört Drohnen, die hochautomatisiert und von einer Zentrale aus überwacht durch die Lande brausen. „Natürlich wird der Himmel über uns nicht gleich morgen voller Drohnen sein, aber der Markt geht in diese Richtung. Die Entwicklung verläuft einfach wahnsinnig schnell“, sagt Holzapfel. Als Beispiel nennt er die Firma Volocopter. Vor zehn Jahren hatte ein Tüftler-Team mit dem „fliegenden Hüpfball“ Furore gemacht. Die Männer hatten aus einfacher Technik – unter anderem Standard-Akkus und -Motoren – einen Multikopter zusammengeschraubt, in dessen Mitte ein Hüpfball montiert war. Der konnte eine Person in die Luft heben. Auf Youtube wurde das Video mit dem ersten bemannten Multikopter-Flug der Welt bis heute ungefähr 27 Millionen Mal angeklickt.

Inzwischen haben die Tüftler die Firma Volocopter gegründet und mehrere Lufttaxis konzipiert und gebaut – etwa den VoloCity mit zwei Plätzen für Passagiere, der autonom fliegen kann. Er hat 18 kleine Propeller, die flüsterleise arbeiten.

Flüsterleiser Flug

Überhaupt ist der Flüsterantrieb eine Stärke der Drohnen. Hubschrauber erzeugen mit ihren langen Rotoren ein ohrenbetäubendes Klatschen. Das liegt an der hohen Geschwindigkeit der Blattspitzen, an denen sich Turbulenzen bilden. Doch bei vielen kleinen Rotoren hört man nur ein Surren. Für Aufmerksamkeit sorgte JoeBen Bervit, Chef des Lufttaxi-Unternehmens Joby Aviation, als in einem Video eines seiner Lufttaxis hinter ihm startete und er weiter sprach, ohne die Stimme erheben zu müssen. Elektroantrieb und Flüstern machen Drohnen in den Städten zum idealen Transportmittel.

Doch mit regem Flugverkehr über dicht bevölkertem Gebiet ist es so eine Sache. Lange war unklar, wie man das mit der Sicherheit in Einklang bringen sollte. In den letzten Jahren aber ist es der Europäischen Union gelungen, ein pragmatisches Regelwerk zu entwickeln: das Specific Operations Risk Assessment (SORA). Es ermöglicht eine Risikoabschätzung für jeden Einsatz. Statt jedes technische Detail eines neu entwickelten Drohnenmodells von Grund auf neu zu prüfen, wird das Gesamtrisiko des Einsatzes abgeschätzt. So macht es einen Unterschied, ob eine Schwerlastdrohne nur über menschenleeren Äckern unterwegs ist oder auf dem Weg von einem Logistikzentrum zum anderen viele befahrene Straßen kreuzen muss.

In der SORA wird das Gesamtpaket aus Technik und äußeren Umständen bewertet. Zum Beispiel unterscheidet man die Auswirkungen eines Absturzes, das sogenannte Ground-Risk, und das Risiko einer Kollision, das „Air-Risk“. „Mit der SORA hat die EU ein System geschaffen, das für Sicherheit sorgt, zugleich aber die regulatorischen Hürden für Start-up-Unternehmen in Europa klein hält“, lobt Florian Holzapfel. „Damit können wir international wettbewerbsfähig bleiben und verhindern, dass die Entwicklung und Produktion ins Ausland abwandern, wie in vielen anderen Branchen.“

Allerdings ist die SORA noch jung, und der Prozess der Risikoabschätzung ist Neuland sowohl für die Firmen als auch für die Behörden, die Fluggeräte und Missionen genehmigen sollen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat daher im März 2021 auf dem ehemaligen Flugplatz Cochstedt bei Magdeburg das Nationale Zentrum für Unbemannte Luftfahrtsysteme eröffnet. „Auf dem Gelände bringen wir Forscher, Unternehmen und Vertreter von Behörden zusammen, um neue Geräte zu testen und die Rahmenbedingungen zu checken“, sagt der Leiter des Cochstedter Testzentrums, Jean Daniel Sülberg.

Ein Testgelände für GPS und Co.

Radar, GPS und viele andere Technologien, die Drohnen für die Navigation benötigen, werden künftig in dem Testzentrum zu finden sein. Sogar eine kleine Stadt im Maßstab 1:4 soll in Kürze aufgebaut werden – das „Floriansdorf“ –, um die Drohnen unter realen Bedingungen fliegen zu lassen.

In dem Testdorf stehen Themen wie die Kollisionsvermeidung auf dem Programm – etwa durch Drohnen, die nach links und rechts auseinanderstieben, wenn sich ein großer Hubschrauber oder ein Flugzeug nähert. Auch Extremsituationen wie der Ausfall von GPS-Empfängern durch Störquellen werden in Cochstedt simuliert. „Mit der SORA ist jede Genehmigung eine Einzelfallprüfung“, sagt Sülberg. „Die Hersteller und auch die Vertreter der Behörden bekommen hier bei uns einen Eindruck davon, inwieweit sie einer Technik oder einem Einsatzszenario vertrauen können.“ Und natürlich stünden er und seine Mitarbeiter als Berater zur Seite.

„Im Grund ist unser Zentrum eine Art Schneepflug, der den Weg in die reale Anwendung frei räumt“, meint Sülberg. Früher verbanden viele Menschen den Begriff Drohne mit militärischen Einsätzen, sagt er. Doch künftig werde es vor allem viele zivile Anwendungen geben. Diese Ansicht teilt auch der Branchenverband Unbemannte Luftfahrt. Für kommerziell genutzte Drohnen in Deutschland prognostiziert er bis 2025 ein Wachstum um nahezu 200 Prozent. Ungefähr 132.000 Stück wären dann im professionellen Einsatz.

Simple Tricks aus Kalifornien

Doch in der Drohnentechnik steckt noch viel Potenzial. Das zeigen die Arbeiten von Mark Mueller von der University of California in Berkeley. Die Spezialität des Ingenieurs ist es, Drohnen mit einfachen technischen Lösungen spezielle Tricks beizubringen. Eines seiner derzeit interessantesten Projekte ist eine kleine Quadrocopter-Drohne mit vier Propellern, die zwei ihrer Arme spontan abklappen kann. Mark Mueller und sein Team haben ein Video online gestellt, das zeigt, wie sich die Drohne zusammenfaltet und behände eine Engstelle durchfliegt. Sie kann sogar auf Seilen landen, weil der Schwerpunkt mit den beiden herabhängenden Rotoren nach unten verlegt wird.

„Mein Ziel ist es, die Komplexität klein zu halten und trotzdem einen großen Effekt zu erzielen“, sagt Mark Mueller. Und so braucht seine kleine Klappdrohne keine aufwendigen Bahnberechnungen, um beim Zusammenfalten sicher in der Luft zu bleiben. Sie schaltet einfach blitzschnell zwischen zwei stabilen Zuständen hin und her: dem Vier-Rotoren-Flug und dem abgeklappten Modus.

Auftanken im Flug

Einfach, praktisch, gut – das gilt auch für ein weiteres Projekt aus Muellers Labor: das Nachladen im Flug. Eine große Drohne wird dabei von einer kleineren Versorgungsdrohne während des Einsatzes mit Strom betankt. Die kleine Drohne landet in einer Auffangschale auf dem Rücken der großen. Dazu sind weder Haken noch Anker erforderlich. In der Schale sitzt der kleine Flieger so sicher, dass er auch bei wilden Schwenks nicht herausfällt. Der Strom fließt über simple Berührungskontakte aus der kleinen in die große Drohne.

Natürlich ist das Gespann schwerer als die große Drohne für sich allein. Dennoch lässt sich die Flugdauer durch die Betankung deutlich verlängern. In einem Experiment haben die Forscher die große Drohne abwechselnd mit zwei kleinen Versorgungsdrohnen nachgeladen. Statt allein nur 12 Minuten blieb die große Drohne mit Betankung 57 Minuten in der Luft, bis ihre Hauptbatterie so weit erschöpft war, dass sie landen musste. Mark Mueller hofft: „Vielleicht trägt unsere Arbeit dazu bei, dass Flugtaxis oder Schwerlastdrohnen irgendwann noch viel weiter fliegen können als heute.“