Ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren der NASA und des US Geological Survey (USGS) hat zusammengearbeitet, um herauszufinden, ob eine kleine, mit einer speziellen Nutzlast ausgestattete, gesteuerte Drohne dabei helfen könnte, detaillierte Karten der Fließgeschwindigkeit von Wasser zu erstellen. Flüsse versorgen unsere Gemeinden und Bauernhöfe mit Frischwasser, bieten einer Vielzahl von Lebewesen ein Zuhause, transportieren Menschen und Güter und erzeugen Strom.
Aber Flüsse können auch Schadstoffe flussabwärts transportieren oder plötzlich ansteigen, was eine Gefahr für Menschen, Tiere und Eigentum darstellt. Während die NASA weiterhin versucht, unseren Heimatplaneten besser zu verstehen, arbeiten Forscher daran, die Frage zu beantworten, wie wir wissen, wo und wie schnell sich Flussströmungen ändern.
Wissenschaftler der NASA und des USGS haben sich zusammengetan, um ein Instrumentenpaket zu entwickeln – etwa so groß wie eine Gallone Milch –, das River Observing System (RiOS). Es umfasst Wärmebild- und optische Kameras zur Verfolgung der Bewegung von Wasseroberflächen, einen Laser zur Höhenmessung, Navigationssensoren, einen Bordcomputer und ein drahtloses Kommunikationssystem. Im Jahr 2023 testeten die Forscher RiOS an einem Abschnitt des Sacramento River in Nordkalifornien und planen, im Herbst 2024 für einen dritten und letzten Feldtest zurückzukehren.
„Der Einsatz von RiOS über einem Fluss zur Bewertung der Systemleistung in einer realen Umgebung ist unglaublich wichtig“, sagte Carl Legleiter, USGS-Hauptforscher des gemeinsamen NASA-USGS-Projekts StreamFlow. „Während dieser Testflüge haben wir gezeigt, dass die Bordnutzlast verwendet werden kann, um Berechnungen – die Analyse – nahezu in Echtzeit durchzuführen, während die Drohne über dem Fluss fliegt. Dies war eines unserer wichtigsten Ziele: eine minimale Latenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem wir Bilder aufnehmen, und dem Zeitpunkt, an dem wir detaillierte Informationen über die aktuelle Geschwindigkeit und die Strömungsmuster im Fluss haben, zu ermöglichen.“
Um diese Vision für die Bordcomputertechnik umzusetzen, verwendet das Team Open-Source-Software in Kombination mit eigenem Code, um aus einer Reihe von im Zeitverlauf aufgenommenen Bildern Karten der Geschwindigkeiten auf der Wasseroberfläche oder des Strömungsfelds zu erstellen.
„Man könnte meinen, wir müssten in der Lage sein, einzelne physische Objekte – wie Stöcke, Schlamm oder andere Ablagerungen – zu sehen, wenn sie flussabwärts treiben, um die Fließgeschwindigkeit abzuschätzen, aber das ist nicht immer der Fall und auch nicht immer möglich“, sagte Legleiter. „Mit einer hochempfindlichen Infrarotkamera erkennen wir stattdessen die Bewegung subtiler Temperaturunterschiede des flussabwärts fließenden Wassers.“
Dieselben winzigen Temperaturunterschiede treten auch überall dort auf, wo es Wellen gibt – etwa an der Grenze zwischen der Luft und dem darunter liegenden Wasser oder Eis. Die NASA-Mitglieder des StreamFlow-Teams wussten dies und nutzten dieses Phänomen zu ihrem Vorteil, als sie Methoden für mögliche zukünftige landende Planetenmissionen entwickelten, um in weit entfernten und schwer einsehbaren Umgebungen zu navigieren, darunter Europa, der Eismond, der den Jupiter umkreist.
Das River Observing System (RiOS) verfolgt die Bewegung von Wasseroberflächenmerkmalen von oberhalb eines Abschnitts des Sacramento River in Nordkalifornien im Jahr 2023. Bildnachweis: NASA
„Eisige Oberflächen stellen eine Herausforderung für die Sicht dar, beispielsweise durch fehlenden Kontrast“, sagte Uland Wong, Co-Forscher und NASA-Leiter des StreamFlow-Projekts am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. „Unsere Technologie kann die statische Oberfläche von eisigem Gelände präzise verfolgen, während wir darüberfliegen, oder eine bewegliche Oberfläche wie Wasser, während wir darüber schweben, um die Raumsonde sicher zu halten und gleichzeitig wertvolle Daten zu sammeln.“
Zur Vorbereitung der Feldtests am Sacramento River baute das NASA-Team einen Robotersimulator, um Tausende virtuelle Drohnenflüge über dem Testgelände am Sacramento River durchzuführen. Dabei wurden die Strömungsfelder vom USGS modelliert. Diese Simulationen helfen dem Team, intelligente Software zu entwickeln, die die besten Flugrouten für die Drohne auswählt und eine effiziente Nutzung der begrenzten Batterieleistung gewährleistet.
Im nächsten Schritt der Partnerschaft will die NASA Techniken entwickeln, um das System autonomer zu machen. Die Forscher wollen mithilfe von Berechnungen der Flussströmungen – die an Bord in Echtzeit durchgeführt werden – bestimmen, wohin die Drohne als nächstes fliegen soll.
„Sinkt die Drohne, um Daten mit besserer Auflösung über einen bestimmten Ort zu erhalten, oder bleibt sie hoch und erfasst eine Weitwinkelansicht?“, fragte Wong. „Wenn sie Bereiche erkennt, in denen das Wasser besonders schnell oder langsam fließt, könnte die Drohne dann Überschwemmungsgebiete schneller erkennen?“
Der USGS betreibt derzeit ein ausgedehntes Netzwerk aus Tausenden von automatischen Durchflussmessern und fest installierten Kameras auf Brücken und Flussufern, um die Strömung der Flüsse im ganzen Land in Echtzeit zu überwachen.
„Mithilfe von Drohnen könnten wir Messungen in viel mehr Bereichen durchführen, wodurch unser Netzwerk möglicherweise größer, robuster und sicherer für unsere Techniker bei der Überwachung und Wartung wird“, sagte Paul Kinzel, Co-Ermittler von StreamFlow beim USGS. „Drohnen könnten dazu beitragen, unsere Mitarbeiter und unsere Ausrüstung vor Gefahren zu schützen und uns außerdem an möglichst vielen Orten mitteilen, wie sich die Umwelt im Laufe der Zeit verändert.“
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Weitere Informationen darüber, wie die NASA das Leben auf der Erde durch Klima- und Technologieinnovationen verbessert, finden Sie unter www.nasa.gov/earth