Die Messung der Luftverschmutzung in einem großen Gebiet, die Überwachung von Risikogebieten, die Inspektion von Eisenbahninfrastrukturen – all dies sind Aufgaben, die normalerweise von bemannten Luftfahrzeugen durchgeführt werden, was sie sehr teuer macht. Das ELCOD-Konsortium wollte eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Lösung finden, indem es autonome Drohnen mit langer Flugdauer entwickelt. Renaud Kiefer, Dozent und Forscher an der INSA Straßburg, und die Doktoranden Thomas Pavot und Martin Lefèbvre haben die Drohne „Stork“ entwickelt, die letztendlich in der Lage sein wird, eine Nutzlast von 5 kg über einen Aktionsradius von etwa 500 km zu transportieren.
Drohnen mit hoher Ausdauer – eine Lösung zur Senkung der Kosten und des CO2-Fußabdrucks vieler Missionen
Juni und Juli 2022: Ein Flugzeug fliegt mit zahlreichen wissenschaftlichen Instrumenten an Bord in geringer Höhe über den Großraum Paris, um die Schadstofffahne der Hauptstadt aus verschiedenen Entfernungen zu untersuchen. Dieses fliegende Labor des CNRS absolvierte insgesamt 13 Flüge mit einer Gesamtdauer von 50 Stunden und sammelte dabei zahlreiche Daten. Diese Art von Operation ist aber sehr kostspielig. Die Drohne stellt eine Zukunftslösung zur Untersuchung der Luftverschmutzung dar: Durch den Transport von Sensoren über eine lange Flugdauer könnte eine Drohne die Analyse der Luftzusammensetzung auf kostengünstigere und umweltfreundlichere Weise ermöglichen.
In der Oberrheinregion wären Drohnen mit langer Laufzeit für die Durchführung verschiedener Operationen besonders nützlich: Beobachtung des Rheins, Überwachung der Grenzen, Sammlung von Daten zur Verbesserung der Kulturen… Viele Anwendungen könnten von der Technologie einer Drohne mit großer Reichweite profitieren.
Eine Brennstoffzelle und Biomaterial aus Flachsfasern für eine leistungsfähige und umweltfreundliche Drohne
Das Team des INSA Straßburg hat die Drohne „Stork“ entwickelt, die kleine Lasten über sehr große Entfernungen transportieren kann. Sie sieht aus wie ein Segelflugzeug und wurde nach dem englischen Namen des emblematischen Zugvogels des Elsass benannt (stork bedeutet Storch). Während der zweijährigen Projektlaufzeit arbeiteten Renaud Kiefer und sein Team nacheinander an der Dimensionierung der Drohne, dem Entwurf des Prototyps, der Integration von Verschmutzungssensoren (in Zusammenarbeit mit dem CNRS) und der Untersuchung der Machbarkeit innovativer Lösungen. Das Team hat auch mit der Hochschule Offenburg zusammengearbeitet. Die Drohne „Stork“ beruht auf zwei Innovationen: einer hybriden Energiequelle und einem Biomaterialverbundstoff aus Flachsfasern.
Thomas Pavot arbeitete an der hybriden Energiequelle, indem er eine Brennstoffzelle, eine Lithium-Polymer-Batterie und einen Superkondensator miteinander kombinierte: „Die Brennstoffzelle bringt die lange Ausdauer, aber sie ist nicht in der Lage, Leistungsspitzen zu liefern. Beim Superkondensator ist es genau umgekehrt. Die Idee ist es, eine ideale Hybridquelle zu schaffen, die die Vorteile von beidem vereint“. Konverter verbinden diese Komponenten und sorgen dafür, dass das System insgesamt funktioniert. „Das Ziel meiner Doktorarbeit besteht darin, einen Algorithmus für das Energiemanagement zu entwickeln, der die Konverter steuert, um zu entscheiden, wie die Energie zwischen den drei Quellen verteilt werden soll, um die Autonomie zu maximieren“, erläutert der Doktorand.
Abgesehen von den energetischen Aspekten zeichnet sich die „Stork“-Drohne auch in mechanischer Hinsicht aus. Martin Lefebvre hat im Rahmen seiner Doktorarbeit eine theoretische Studie über die Leistungsfähigkeit von Flachsfasern durchgeführt. „Martin berechnete das Layup, also die Anzahl der Gewebelagen, die man bei der Gestaltung eines Flachsflügels einbauen muss, und verglich seine Eigenschaften mit denen eines herkömmlichen Glasfaserflügels. Die mechanische Leistung ist ähnlich, aber Leinen dämpft Vibrationen besser“, erklärt Renaud Kiefer. Die Flachsfaser, die umweltfreundlich angebaut wird und den Vorteil hat, dass sie recycelbar ist, könnte also die derzeitigen petrobasierten Materialien ersetzen.
Die Zukunft der „Stork“-Drohne: Verbesserungsmöglichkeiten und neue Partnerschaften
Ein Folgeprojekt von ELCOD ist in Planung. Einer der nächsten Schritte wird darin bestehen, die hybride Energiequelle in die Drohne zu integrieren, deren Rumpf um die Brennstoffzelle und ihren Tank herum konstruiert wurde. „Ein zweiter Teil wird die Messung der Umweltverschmutzung betreffen. Die Idee ist, dass die Drohne einer Rauchwolke folgen kann, indem sie ihre Flugbahn automatisch an die von den Sensoren gesammelten Daten anpasst. Sie muss am Rand der Wolke bleiben, nicht in der Mitte, weil sonst die Sensoren überlastet werden“, so Renaud Kiefer. Es bestehen bereits Partnerschaften mit den französischen und deutschen Feuerwehren sowie mit ATMO Grand Est und seinen deutschen und schweizerischen Kollegen.
Es werden zudem mehrere Verbesserungsmöglichkeiten in Betracht gezogen, um die Drohne noch umweltfreundlicher zu machen. „Wir möchten Solarkollektoren an den Flügeln anbringen. Auf der Oberfläche der Drohne können wir maximal 100 Watt gewinnen, das könnte ein Pluspunkt sein, um die Elektronik zu versorgen und Flugminuten zu gewinnen. Wir verbrauchen 400 Watt im Reiseflug, also ist das ein nicht zu vernachlässigender Beitrag“, sagt Renaud Kiefer. „Man kann die Flugzeit auch optimieren, indem man die Thermik, die Aufwinde, selbstständig ausnutzt. Die Drohne fliegt von selbst in die Thermik hinein. Da „Stork“ einen für Segelflugzeuge typischen Flügel hat, ist dies eine Möglichkeit, an Höhe zu gewinnen und dabei elektrische Energie zu sparen“. So könnte dieser neuartige „Storch“ immer leistungsfähiger werden.
Das im April 2017 begonnene Projekt ELCOD (für „ Endurance Low COst Drone“, d.h. „Drohne mit langer Ausdauer und niedrigen Kosten“) endete im Dezember 2020. Es wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Programms Interreg V Oberrhein und von den deutschen und französischen Regionalpartnern der Initiative „Wissenschaftsoffensive“ kofinanziert und umfasste drei akademische Partner: die Hochschule Offenburg, das INSA Strasbourg und das CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Verschiedene Industriepartner waren ebenfalls an dem Projekt beteiligt. Die Wissenschaftsoffensive: Aufgrund ihres Erfolgs wird die Initiative im Zeitraum 2021-2027 fortgeführt, für den zwei Projektaufrufe vorgesehen sind. Aufbauend auf der Dynamik der grenzüberschreitenden wissenschaftlichen Zusammenarbeit möchten die mitfinanzierenden Partner der Wissenschaftsoffensive nun den Transfer und die Verwertung der Ergebnisse der öffentlichen Forschung unterstützen und den positiven Effekt der wissenschaftlichen Erkenntnisse auf die Unternehmen und die Gesellschaft verstärken, zugunsten der wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Entwicklung der Trinationalen Metropolregion Oberrhein. Der vierte Aufruf der Wissenschaftsoffensive ist seit dem 5. Januar 2023 veröffentlicht (bis zum 24. März) und legt den Schwerpunkt auf den Wissens- und Technologietransfer. Gleichzeitig trägt er somit zur Erreichung der Ziele der Trinationalen Metropolregion Oberrhein (TMO) bei. Alle Informationen zur Wissenschaftsoffensive sind auf der Webseite der Säule Wissenschaft zu finden.