Wie kartiert man etwas, das sowohl unsichtbar als auch geruchlos ist? Forscher der Universität Oslo haben Drohnen darauf trainiert, selbst die besten Orte für die Messung von Treibhausgasen zu finden.
„Solche Gasflüsse abzuschätzen ist nicht einfach. Wir stehen wirklich an der Spitze dessen, was auf diesem Gebiet getan wird“, sagt Ph.D. Kandidatin Alouette van Hove am Department of Geosciences der UiO.
Stellen Sie sich die Tundra auf Spitzbergen vor. Oder die riesigen, gefrorenen Torfgebiete Sibiriens. Der Permafrost sorgte jahrtausendelang dafür, dass der Kohlenstoff in den Mooren ungestört blieb, doch jetzt wird es wärmer. Methan und CO2-Gas werden freigesetzt. Nun steigen die Gase vom Boden in die Atmosphäre auf.
„Die Fähigkeit, Flüsse oder Austausche von Treibhausgasen auf der Erdoberfläche abzubilden, ist für die Qualitätssicherung und Kalibrierung von Klimamodellen notwendig“, sagt van Hove.
Meile für Meile Torfland. Hier findet zwischen dem torfigen Boden und der darüber liegenden Luft ein Austausch, ein Fluss von Gasen statt. Sie sind wichtige Teile der globalen Klimagleichung, aber die Schätzungen, die die Forscher in Klimamodellen verwenden, sind unsicher.
Dass die Gase sich verdünnen, sobald sie in die Luft gelangen, und von Wind und Wetter fortgetragen werden, macht die Sache nicht einfacher. Ein Teil der Lösung könnte darin bestehen, die Emissionen bodennah mit Drohnen zu messen.
„Was wir tun können, ist, die Flüsse durch Beobachtungen abzuschätzen. Auf diese Weise können wir die Modelle an tatsächliche Messungen anpassen“, sagt van Hove.
Intelligente Messsysteme
Stellen Sie sich vor, es wäre Ihre Aufgabe, diese Gasflüsse zu messen. Aber das Gebiet, das Sie betrachten, ist Hunderte von Quadratkilometern groß. Wo sind sie? Wo soll gemessen werden?
„Die Gase sind unsichtbar und riechen nicht. Sie können nur mit einem Gasanalysator nachgewiesen werden. Aber wenn man eine Fläche von 100 x 100 Quadratkilometern hat, kann man nicht jeden Meter untersuchen“, sagt Forscher Norbert Pirk.
Er leitet das Forschungsprojekt ACTIVATE, das für „Aktiv lernendes experimentelles Design in der terrestrischen Klimawissenschaft“ steht. Ziel des Projekts ist die Erforschung und Entwicklung intelligenter Messsysteme für den Einsatz in der Klimaforschung.
Für die atmosphärischen Messungen werden Drohnen eingesetzt. Diese werden genutzt, um den Austausch von Kohlenstoff, Wasser und Energie zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre abzuschätzen. Die Messungen werden mit Daten von Satelliten sowie mobilen oder stationären Messanlagen kombiniert.
„Uns geht es um die Wechselwirkung zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Zwischen diesen findet ein Austausch wichtiger Treibhausgase statt. Dieser Austausch ist nicht gleichmäßig über den Globus verteilt, sondern findet typischerweise an lokalisierten ‚Hot-Spots‘ statt.“ „Diese müssen wir finden“, sagt Pirk.
Vom Winde verweht
Auf der Suche nach solchen Hotspots beteiligen sich die Forscher mit dem Drone Lab an der Universität Oslo. Hier stehen mehrere Drohnen für Einsätze im Dienste der Klimaforschung bereit. Aber zuerst brauchen sie eine Schulung. Ph.D. Dafür hat Kandidat van Hove gesorgt.
„Man kann nicht einfach in ein Gebiet gehen und mit der Drohne einen Rundgang machen. Es gibt einfach zu viel, um es zu messen. Außerdem sorgen die Wetterbedingungen dafür, dass, wenn man zehn Minuten später misst, alles anders aussieht“, sagt er van Hove.
Um eine möglichst genaue Schätzung der Gasflüsse zu erhalten, müssen sie an den aussagekräftigsten Orten und zu den aussagekräftigsten Zeiten messen.
„Wir müssen die Zeit, die wir mit der Drohne nutzen, optimieren“, sagt van Hove.
Sie hat eine Methode entwickelt, bei der sie durch belohnungsgesteuertes Lernen – „Reinforcement Learning“ – den Drohnen beibringen, zu wissen, wo sie nach den besten Orten zum Messen suchen müssen.
„Um die Drohnen zu trainieren, schaffen wir eine künstliche Umgebung, in der die Drohnen üben können. Sie erhalten jedes Mal eine Belohnung, wenn sie eine Bewegung ausführen, die sich als nützlich erweist.“
So kann die Drohne lernen, ob es eine gute Entscheidung war, in die eine oder andere Richtung zu drehen.
„Es kann mit dem Training von Hunden verglichen werden. Wir verwenden Belohnungen, um der Drohne beizubringen, die beste Aktion auszuwählen“, sagt van Hove.
Versucht, scheitert und lernt
In der Praxis geschieht dies alles innerhalb eines Computerprogramms, wobei die „Belohnungen“ der Drohnen nichts anderes als eine bestimmte Funktion im Programm sind. Die Drohnen werden in „Trial-and-Error“-Experimenten eingesetzt, bei denen sich die Drohne innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bewegen kann. In diesem Bereich können die Drohnen eine bestimmte Anzahl von Aktionen ausführen (vorwärts, rückwärts, aufwärts, abwärts usw. bewegen), sie dürfen sich jedoch nicht aus dem Bereich herausbewegen.
„‚Belohnungen‘ werden also für Handlungsentscheidungen vergeben, die nach einer gewissen Zeit zu einem Ergebnis führen, das der Wahrheit möglichst nahe kommt, nämlich dem Gasfluss“, sagt van Hove.
Durch Experimente konnte van Hove zeigen, dass derart trainierte Drohnen solche Hotspots des CO2-Ausstoßes genauer finden und messen können, als wenn die Drohne eine vorprogrammierte Suche durchführt. Und das, obwohl die Drohne in der vorprogrammierten Suche so eingestellt ist, dass sie über der CO2-Quelle fliegt.
„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, Drohnen zu trainieren, einen Parameter zu schätzen, ohne vorher den wahren Wert des Parameters kennen zu müssen“, sagt van Hove.
Nun werden die trainierten Drohnen in der Praxis getestet. Bald werden Pirk und van Hove 12 Drohnen nach Spitzbergen bringen.
„Jetzt werden wir die Drohnen im Feld testen. Dann können sie in der Luft üben, Entscheidungen zu treffen“, sagt Pirk.
Ziel ist es, die Drohnen an verschiedenen Observatorien in der Arktis einsetzen zu können, wo es derzeit besonders an Beobachtungsdaten mangelt.
„Das ACTIVATE-Projekt wird sich über fünf Jahre erstrecken, und ich denke, dass die Messkampagnen im Laufe des Projekts größer und komplexer werden“, sagt Pirk, der davon ausgeht, dass im Sommer 2025 zwölf Drohnen auf Spitzbergen im Einsatz sein werden.