Hitzeresistente Drohne zur Brandbekämpfung

Forscher der Empa und des Imperial College London entwickeln eine hitzeresistente Drohne, die bei einem Gebäude- oder Waldbrand den Gefahrenherd aus nächster Nähe analysieren kann. So können Feuerwehrleute die Strategie eines Hochrisiko-Einsatzes optimieren, bevor sie die Gefahrenzone betreten.

Wo andere rausrennen, müssen sie hinein: Feuerwehrleute begeben sich bei Rettungseinsätzen in gefährliche Situationen. Im vergangenen Jahr rückten die schweizerischen Feuerwehren für mehr als 12000 Einsätze zur Brandbekämpfung aus. Flugroboter könnten derartige Einsätze unterstützen: Forscher der Empa und des Imperial College London entwickeln derzeit eine hitzeresistente Drohne, die mit Kameras und CO₂-Sensoren ausgestattet ist und somit wichtige Informationen über die Verteilung der Brandherde, unerwartete Gefahren oder eingeschlossene Menschen liefern kann.

Zu heiss für normale Drohnen

Drohnen werden bereits zur Brandbekämpfung eingesetzt, um Luftaufnahmen zu machen, Feuerlöschschläuche auf Hochhäuser zu heben oder in abgelegenen Gebieten Löschmittel abzuwerfen, etwa um die Ausbreitung von Waldbränden einzudämmen – allerdings nur in sicherer Entfernung zum Brandherd. Um näher heranzufliegen, ist die extreme Hitzeentwicklung eines Brandes für herkömmliche Drohnen zu gross. Nah am Feuer schmilzt der Rahmen, und die Elektronik gibt auf. Mehr als Luftaufnahmen der Brandstelle aus sicherer Entfernung sind mit handelsüblichen Drohnen nicht möglich. Das Ziel war es daher, eine Drohne zu entwickeln, die der Hitze standhält und so schnell und präzise Daten aus dem Zentrum des Gefahrenherds liefern kann.

Ultraleicht und hart im Nehmen

Die Forschenden konnten ein Isolationsmaterial synthetisieren, das hohen Temperaturen standhält und so die Drohne feuerresistenter macht. Inspirieren liessen sich die Forscher beim Design der «FireDrone» von der Natur, genauer: von Tieren wie Pinguin, Polarfuchs und Speikäfer, die bei extremen Temperaturen leben. All diese Tiere haben entsprechende Fettschichten, ein Fell oder produzieren körpereigene Schutzschichten aus thermoregulierendem Material, die es ihnen ermöglichen, unter extremen Bedingungen zu überleben.

Für Raumanzüge geeignet

Es handelt sich um ein Aerogel, ein ultraleichtes Material, das fast vollständig aus luftgefüllten Poren besteht, die von einem Hauch von Polymer-Substanz umschlossen sind. In diesem Fall wählten die Materialforscher ein Aerogel auf Basis eines Polyimid-Kunststoffs. Polyimid-Aerogele werden auch von der NASA etwa für die Isolation von Raumanzügen erforscht. Das Forscherteam setzte bei der Synthese des Aerogels jedoch nicht auf Polyimid allein: Das Kompositmaterial besteht aus Polyimid und Silica und ist zudem mit Glasfasern verstärkt. Laboranalysen haben gezeigt, dass dieses vergleichsweise feuerresistente Material sich für den Einsatz in Drohnen besonders gut eignet.

Flug ins Inferno

Bei ersten Tests in der Flugarena der Empa in Dübendorf schnitt der Prototyp der «FireDrone» bereits gut ab. Die Flugeigenschaften und die Steuerbarkeit der rund 50 cm grossen Drohne waren auch mit Aerogel-Isolationsmantel und einem zusätzlich eingebauten Kühlsystem sowie einer Aluminiumverkleidung, um Wärme zu reflektieren, hervorragend.

Ob das Fluggerät aber auch die Feuerprobe bestehen würde, mussten Versuche unter möglichst realen Bedingungen zeigen, die typisch für einen Brandeinsatz sind. Das Empa-Team konnte ein derartiges Real-Life-Szenario auf dem Trainingsgelände des Ausbildungszentrum Andelfingen nutzen. Das Ergebnis: Der Prototyp überstand mehrere Testflüge. Die Elektronik, die Wärmebildkamera und die CO₂-Sensoren der Drohne waren unbeschadet und bereit für weitere Tests. Ein nächster Schritt wäre nun, die Drohne in einem Feuer zu testen, das anders als die vergleichsweise saubere Gasflamme eine starke Russentwicklung zeigt.

Die «FireDrone» könnte ausserdem in extrem kalten Umgebungen, etwa in Polarregionen und auf Gletschern, eingesetzt werden. Das Team hat die Drohne auch in einem Gletschertunnel in der Schweiz getestet, um zu untersuchen, wie sich das System bei sehr kalten Temperaturen verhält. Um den Prototypen weiterzuentwickeln, laufen bereits Gespräche mit möglichen Industriepartnern. Die Anwendung von Drohnen wird oft durch Umweltfaktoren wie extreme Temperaturen eingeschränkt. Mit der «FireDrone» könnte das künftige Anwendungsspektrum für Drohnen in extremen Umgebungen deutlich erweitert werden.