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Zivile Drohnen Wie Flugroboter den Himmel erobern

Drohnen sind die Bestseller der Luftfahrtindustrie. Sie werden nicht nur leistungsfähiger, sondern auch immer intelligenter: In Schwärmen können sie große Gebiete überwachen, abgelegene Dörfer mit Medikamenten versorgen und andere Flugobjekte verfolgen. Dabei sind manche kaum größer als eine Biene.

Simulation eines Einsatzes der Matternet-Transportdrohnen

Feueralarm im Hafen von Rotterdam: Es brennt in einem Treibstofflager. Doch wie schlimm ist die Lage wirklich? Wo ist der Brandherd? In welche Richtung genau zieht die Rauchwolke? Mit wenigen Mausklicks auf seinem Laptop startet der Feuerwehr-Einsatzleiter vier Drohnen.

Wie ein von unsichtbarer Hand koordinierter Schwarm verteilen sie sich über der Unglücksstelle. Furchtlos stürzten sich die Flieger in die Schadstoffwolke und funken Messdaten an die Bodenstation.

Dafür sind sie mit Detektoren ausgestattet, die gefährliche Gase wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffverbindungen aufspüren. Mit ihren vier Propellern erreichen die ein Kilo schweren Drohnen binnen Minuten jede Stelle im Hafen. Und gemeinsam schaffen sie, was Menschen unmöglich wäre: Sie erstellen präzise Prognosen, wohin sich die Schadstoffe bewegen – und wo evakuiert werden muss.

Bislang waren die Airshield genannten Drohnen nur testweise in Betrieb, wie hier im internationalen Feuerwehr-Trainingszentrum RISC in Rotterdam. Doch die von Kommunikationstechnikern der Technischen Universität Dortmund entwickelten Minihubschrauber haben ihre Bewährungsprobe bestanden: „Sie sind schneller und effizienter als bodengebundene Messungen“, sagt Drohnen-Entwickler Christian Wietfeld.

Und sie sind weit über den Feuerwehrbetrieb hinaus nutzbar.

Große Vielfalt

Die autonomen Flieger können Strahlung über havarierten Atommeilern messen. Sie sind in der Lage, Aschewolken von Vulkanen zu analysieren, die den Flugverkehr bedrohen. Und sie werden – ausgestattet mit Mobilfunksendern – zu fliegenden Handymasten, wenn der Funk am Boden bei Großveranstaltungen kollabiert.

Mit ihren Fähigkeiten erobern unbemannte Flugroboter ganz neue zivile Einsatzfelder – und locken immer mehr Hersteller in den Markt. Die Parrot AR.Drone etwa kostet nur wenige Hundert Euro, lässt sich via iPhone steuern und filmt ihre Umgebung mit einer hochauflösenden Kamera.

Top-Modelle wie die 40 000 Euro teure md4-1000 des Siegener Herstellers Microdrones dagegen können fast eineinhalb Stunden in der Luft bleiben und bis zu 40 Kilometer zurücklegen. Dabei fertigen sie präzise Landkarten an, überwachen Fabrikanlagen oder helfen der Polizei bei der Suche nach Verdächtigen.

Fernsehteams, die über Unfälle berichten, setzen ebenfalls auf Quadrocopter, wie Drohnen mit vier Rotoren genannt werden. Ein weiteres Einsatzfeld entsteht mit den Windparks auf dem Meer. Dort nutzen Wartungsfirmen die Technik, um Rotorblätter zu inspizieren – ohne dass Kletterer dafür ihr Leben riskieren müssen.

Drohnen werden intelligent

Ohne Grenzen: Drohnen des US-Startups Matternet versorgen entlegene Orte mit Medikamenten und Nahrung.

Nun steht die Technologie vor einem radikalen Umbruch: Bislang waren Drohnen meist einzeln gesteuerte Miniflieger. Mithilfe besserer Funktechnik und komplexer Steuerungsalgorithmen werden die Drohnen jetzt aber intelligent: Sie lernen, wie Vögel im Schwarm zu fliegen, sich selbstständig zu orientieren und ohne fremde Hilfe andere Flugobjekte zu verfolgen.

Die Bundesregierung jedenfalls spricht von einer „grundlegenden Veränderung“ der Luftfahrt. In der jüngsten Neufassung des Luftverkehrsgesetzes ist deshalb seit Ende Januar auch der Einsatz von Drohnen geregelt: In Zukunft dürfen kommerziell betriebene Drohnen gleichberechtigt am Luftverkehr teilnehmen.

Sie müssen sich aber 1,5 Kilometer von Flughäfen fernhalten und brauchen ab 30 Meter Flughöhe eine Genehmigung der Flugsicherung, um nicht mit Flugzeugen zusammenzustoßen.

Kritiker wie der Linken-Bundestagsabgeordnete Wolfgang Neškovic fürchten dennoch einen rechtsstaatlichen Albtraum, weil die Technik unkontrollierbare Folgen für die Privatsphäre der Menschen habe. Auch die Erfinder der Airshield-Drohnen wurden schon zum Ziel des Protests.

FedEx will Piloten überflüssig machen

Als die Dortmunder ihren fliegenden Schutzschild in Berlin vorstellten, entrollten Demonstranten ein Plakat mit der Aufschrift: „Technik kann begeistern, schützen, töten.“ Ihr Vorwurf: Drohnen seien generell vor allem als Kriegsmaschinen erdacht worden. Airshield-Erfinder Wietfeld hält dagegen, seine Drohne solle vor allem die Gesundheit von Rettungskräften und der Bevölkerung schützen.

Wie auch immer – sicher ist, dass Drohnen ein gewaltiges Geschäft sind, militärisch wie zivil. Kein Sektor der Luftfahrtbranche wächst derzeit schneller. Die Marktforscher der amerikanischen Teal-Group rechnen damit, dass sich der mit unbemannten Fliegern erwirtschaftete Umsatz bis 2020 weltweit auf 38 Milliarden Dollar verdoppeln wird.

Davon geht zwar ein Großteil in die hocheffizienten Killermaschinen, die vor allem beim amerikanischen Militär beliebt sind. Doch auch die Privatwirtschaft interessiert sich für die unbemannten Fluggeräte. Sicherheitsfirmen, Maklerbüros und Wartungsfirmen rund um den Globus setzen Kameradrohnen zur Erkundung weitläufiger, schwer zugänglicher Gebiete ein.

Und einige Unternehmer denken längst in noch größeren Maßstäben. Sie wollen Piloten überflüssig machen: Ohnehin kontrollierten Computer in modernen Jets die Systeme, sagt etwa Frederick Smith, Chef des Logistikriesen FedEx, in einem Interview mit dem Technologiemagazin „Wired“.

Arbeit an der intelligenten Drohne

Unbemannte Flieger der ETH Zürich fliegen autonom im Schwarm.

Dass nicht längst Computer seine Frachtmaschinen fliegen, liege am fehlenden rechtlichen Rahmen. Für ihn sei es nur eine Frage der Zeit, bis FedEx erste Pakete mit Drohnen transportiert.

Doch dazu müssen die Flieger nicht nur Befehle befolgen, sondern auch ohne menschliche Hilfe reagieren – und entscheiden können. Ihnen das beizubringen, daran arbeiten Forscher in aller Welt.

An der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich etwa lernen Drohnen daher auch das Lernen. Die drei unterarmgroßen Flugschüler heißen Alpha, Bravo und Charlie. Ausgestattet mit kleinen Tennisschlägern, jonglieren sie mit Bällen, spielen sie sich gegenseitig zu und tanzen im Takt zu der Filmmusik des Hollywood-Blockbusters „Armageddon“.

Herr der Maschinen ist Raffaello D’Andrea: Mit seinen Mitarbeitern bringt er den Quadrocoptern in der „Flying Machine Arena“ der ETH immer neue Kunststücke bei. Hinter einer meterhohen Glaswand stehen staunende Studenten, während der Quadrocopter Charlie scheinbar mühelos eine Stange in der Luft balanciert.

Sämtliche Versuche der Forscher, ihn aus dem Gleichgewicht zu bringen, lassen Charlie kalt: Flink ändert er seinen Kurs, sodass der Stab stets senkrecht stehen bleibt.

Drohnen als Youtube-Stars

„Wir möchten, dass die Maschinen mit unbekannten Umgebungen zurechtkommen und zielgerichtet handeln“, sagt D’Andrea. Dafür lernen die Quadrocopter sogar Manöver, die selbst talentierte Piloten niemals schaffen würden – einen dreifachen Überschlag zum Beispiel, für den die Miniflieger weniger als eine Sekunde benötigen.

Was beim ersten Versuch noch in einem Beinahe-Absturz endete, klappt nach 40 Durchläufen problemlos. „So wie wir Menschen lernen auch die Quadrocopter durch Wiederholung“, sagt D’Andrea.

Gemeinsam lösen seine Drohnen selbst komplizierteste Aufgaben – zum Beispiel die Konstruktion eines Gebäudes. Im Dezember stapelten Alpha, Bravo und Kollegen mithilfe kleiner Greifarme 1500 Bausteine übereinander, um ein sechs Meter hohes Haus zu bauen.

Der erste von Drohnen erbaute Wolkenkratzer war zwar nur ein Modell im Maßstab 1:100. Doch es sei, versichert D’Andrea, ebenso möglich, mithilfe vernetzter Drohnen ganze Häuser zu bauen. Sein Team an der ETH liefert sich damit einen Wettbewerb mit der Universität von Pennsylvania, wo ebenfalls Wissenschaftler an denkenden Quadrocoptern arbeiten.

Zu Stars auf der Videoplattform YouTube wurden deren Flieger mit einem spektakulären Musikvideo: Darin spielen fünf Drohnen die James-Bond-Titelmelodie auf Schlagzeug, Keyboard und einer Gitarre, indem sie im Vorbeiflug Saiten zupfen oder sich auf Keyboard-Tasten fallen lassen.

Medizinische Versorgung

Fliegende Augen. Überwachungsdrohne der Polizei filmt Demonstrationen.

Das Internet-Video wurde 2,9 Millionen Mal abgespielt. Und doch ist der 1:40-Minuten-Film nur ein Vorgeschmack auf das, was Drohnen einmal ermöglichen sollen.

In wenigen Jahren könnten autonome Flugroboter in unterentwickelten Ländern Medikamente und Nahrung transportieren. Denn trotz jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit gibt es etwa in vielen afrikanischen Staaten noch immer kein funktionierendes Straßennetz. „In manchen Ländern hat sich die Qualität der Infrastruktur sogar verschlechtert“, sagt Matternet-Mitgründerin Paola Santana.

Das Startup an der Denkschmiede Singularity University im kalifornischen Silicon Valley will das Problem nun mit Drohnen lösen. Die unbemannten Matternet-Flieger sollen selbst entlegene Ortschaften erreichen, um die Bewohner mit Blutkonserven, Medikamenten oder Ersatzteilen zu versorgen. „Wir wollen Güter in kürzester Zeit an jeden Ort liefern“, sagt Santana.

Dafür plant sie, ein Netzwerk aus Solar-Ladestationen zu knüpfen, zwischen denen Drohnen autonom verkehren. Sie sollen – analog zu den Datenpaketen im Internet – stets selbstständig den optimalen Weg zum Ziel finden.

Das ist keine Spinnerei. Die ersten Matternet-Drohnen könnten noch dieses Jahr in der Dominikanischen Republik abheben. Santana und ihre Kollegen verhandeln dort mit Behörden und Investoren bereits über einen Modellversuch. Die Miniflieger sollen eine 100 Kilometer lange Strecke zwischen dem Südwesten und dem Nordosten der Insel überbrücken, die von einem Gebirgszug getrennt wird.

Mit der Reisedrohne durch die Stadt

Doch die Pläne der Matternet-Macher reichen weiter. In Metropolen wie Mexiko City, in denen der Straßenverkehr kollabiert, sollen die Drohnen eilige Lieferungen jederzeit sicher transportieren können. Und eines Tages, hofft Matternet-Mitgründerin Santana, könnte so ein globales Netzwerk aus Landepunkten entstehen, über die sich Güter an fast jeden Ort der Welt transportieren lassen.

In dem EU-Projekt MyCopter denken Experten noch einen Schritt weiter – und fragen ganz offen: Wie wäre es, wenn sich die Stadtbewohner künftig nicht mehr durch den Verkehr quälen müssen, sondern in automatisch gesteuerte Helikopterdrohnen einsteigen?

Gefördert mit 4,3 Millionen Euro aus EU-Mitteln, forschen Wissenschaftler unter anderem an der ETH Zürich, der Universität Liverpool und dem Karlsruher Institut für Technologie an der dafür erforderlichen Grundlagentechnik – von der Gestaltung eines leicht zu bedienenden Cockpits bis zu ersten Tests im Simulator.

Denn damit sich Passagiere dereinst gefahrlos mithilfe der Reisedrohnen durch die Stadt bewegen können, müssen die Flieger eigenständig ihr Ziel finden. Zudem müssen die Geräte in Formation fliegen, Routen planen und Hindernisse umgehen können. Kurzum: Sie müssen intelligent agieren und autonom entscheiden.

Selbstständige Drohnen erwünscht

Die durch eine Drohne gefertigte Luftbildaufnahme zeigt die durch ein Feuer völlig zerstörte Kirche in Walldorf Quelle: dpa

Das sind Fähigkeiten, die auch Militär und Geheimdienste interessieren. Noch sind die meisten Drohnen kaum mehr als willige Erfüllungsgehilfen, die von Piloten am Boden aus sicherer Entfernung gelenkt werden. In Zukunft aber sollen auch militärische Drohnen ohne menschliches Zutun agieren – und dabei dank bislang unerreichter Tarnung völlig unerkannt bleiben.

Daran arbeiten Forscher der amerikanischen Luftwaffe im sogenannten Mikro-Vogelhaus auf der Luftwaffenbasis Wright-Patterson im US-Bundesstaat Ohio. Sie entwickeln winzige Drohnen, die Vorbildern aus der Natur täuschend ähnlich sehen, darunter Libellen, Fledermäuse und sogar Roboterfalken, die den Flügelschlag echter Vögel nachahmen können.

Mit dem Modell Hummingbird hat der Drohnenhersteller Aerovironment 2011 bereits einen künstlichen Kolibri vorgestellt, der acht Minuten auf der Stelle schweben kann und sich dabei auch nicht einmal von Windböen vom Kurs abbringen lässt.

Während künstliche Vögel auf Stromleitungen oder Fensterbrettern sitzen, könnten sie Zielpersonen überwachen und deren Gespräche mitschneiden. Das aber erfordert, dass sich die Mikrodrohnen ohne Hilfe menschlicher Piloten auch in verwinkelten Städten orientieren können.

Orientierung an echten Tieren

Dafür versuchen Wissenschaftler der Universität Washington, das Schwarmverhalten von Tieren zu verstehen. In einem von der US-Marine finanzierten Multi-Millionen-Dollar-Projekt bilden die Forscher das Verhalten von Vögeln, Fledermäusen und Insekten mit mathematischen Modellen nach und versuchen, die Erkenntnisse auf ihre Drohnen zu übertragen.

Denn auch die unbemannten Flugobjekte müssen Strommasten oder Gebäuden automatisch ausweichen können – sollen aber trotzdem in ihrer Formation bleiben.

Vielen Mikrodrohnen fehlt diese Fähigkeit – noch. Ohne menschliche Hilfe fallen sie oft Kollisionen zum Opfer. „Wir versuchen, die Drohnen bei der Navigation durch zerklüftete oder dunkle Umgebungen effektiver zu machen“, sagt Schwarmforscherin Kristi Morgansen von der Universität Washington. In einem früheren Projekt entwarf sie bereits autonome Roboterfische, die in Schwärmen die Tiefsee erkunden.

Denn was in der Luft funktioniert, ist unter Wasser nicht minder hilfreich: Anders als Tauchroboter müssen die autonomen Maschinen nicht mehr von der Wasseroberfläche aus gesteuert werden. Sie können das Meer eigenständig auskundschaften und dabei unter anderem fremde Marinebasen aufspüren, den Zustand von Pipelines oder Ölbohrinseln kontrollieren oder Kommunikationsleitungen inspizieren.

Auch die Marine forscht

Das sind die größten Drohnen-Hersteller
Der moderne Krieg braucht keine Piloten im Cockpit mehr: Drohnen übernehmen die Lufthoheit. Bis 2020 wird sich das Marktvolumen für so genannte Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) verdoppeln, schätzt der Marktforscher Teal Group. 80 Milliarden Dollar werden die Militärs in den kommenden zehn Jahren für UAVs ausgeben, 55 Mrd. davon allein die US-Regierung. Und die Amerikaner sind fest entschlossen, ihren Vorsprung auszubauen. Drei Viertel der Forschungsausgaben auf der Welt bezahlen die US-Streitkräfte. Quelle: REUTERS
Das US-amerikanische Hochtechnologie-Unternehmen General Atomics ist Spezialist für die Atom- und Militärtechnik. Im Bereich der Drohnen sind die Amerikaner Marktführer. Das ehemalige Tochterunternehmen von General Dynamics hat seine Hauptsitz in San Diego. Die MQ-1 Predator ist ein Vorreiter der unbemannten Luftfahrt im Militärbereich. Eingesetzt wird sie vor allem zu Aufklärung - aber auch für den Kampfeinsatz, unter anderem in Afghanistan, im Irak oder im Balkan. Quelle: dpa
Ein weiterer Absatzgarant für General Atomics ist der große Bruder der MQ-1: Die MQ-9, Spitzname "Reaper". Die US Air Force setzt die Drohne zur Aufklärung und für Angriffe ein. Durch ihre Größe und Flexibilität sind Drohnen dieser Größe in der Lage, klassische Kampfflugzeuge vom Markt zu verdrängen. Quelle: AP
Auch der größte Rüstungskonzern der Welt, der US-Konzern Lockheed Martin, gehört zu den Drohnenproduzenten. Marktführend sind die Amerikaner allerdings bei Kampfflugzeugen und -bombern, wie der F-16 und die F-22A Raptor. Daneben produziert der Konzern Aufklärungsmaschinen wie die auch von der Bundeswehr genutzte P-3 sowie Luftschiffe. Quelle: REUTERS
Mit der Drohne RQ-170 soll Lockheed Martin unter anderem Osama bin Laden aufgespürt haben. Mit seinen Tarnkappeneigenschaften ist der "Sentinel" vor allem zur Aufklärung geeignet. In die Schlagzeilen gelangte das unbemannte Flugobjekt durch einen vermeintlichen "Abschuss" durch die iranischen Revolutionsgarden. Die Amerikaner sprechen von einem technischen Defekt. Quelle: dapd
Neben der zivilen Luftfahrt gehört der US-Flugzeugbauer Boeing auch in der Rüstungsbranche zu den führenden Anbietern. Eine breite Palette an Flugzeugen und Lenkwaffen sorgen trotz sinkender Rüstungsbudgets für Absatz. Zu den Entwicklungen des US-Konzerns gehört auch die Drohne X-45, die fast die Größe eines eines bemannten Kampfjets erreicht. Quelle: AP
Direkter Konkurrent der X-45 ist die X-47B des US-Herstellers Northrop Grumman. Der unbemannte Kampfjet des viertgrößten Rüstungskonzerns der Welt ist Teil des UCAS-D-Programms der US-Navy. Die Entwicklung wurde allein durch Firmengelder vorangetrieben. Foto: DARPA Quelle: Pressebild

Kein Wunder also, dass auch die US-Marine diverse Forschungsprojekte subventioniert, in denen intelligente Unterwasserdrohnen entwickelt werden. Darunter auch eine Roboterqualle, an der Forscher aus Texas und Virginia arbeiten. Diese Robojelly genannte Maschine sieht ihrem realen Vorbild täuschend ähnlich. Künstliche Muskeln sorgen dafür, dass sich ihre Bewegungen kaum von denen echter Quallen unterscheiden.

Die Muskeln bestehen aus sogenannten Memorymetallen, intelligenten Materialien, die sich bei Verformung ihre eigentliche Form merken und diese wieder herstellen können. Angetrieben wird die Quallendrohne mit Wasserstoff.

Möglicherweise können sich Drohnen eines Tages sogar selbst vervielfältigen, indem sie neue Flieger schaffen: Forscher der US-Elite-Universität Harvard stellten kürzlich ein Robo-Insekt vor, das von anderen Robotern in Serie hergestellt werden kann. Dazu haben sie die Monolithische Biene (Mobee) entwickelt, die aus einem Guss gefertigt wird und so von anderen Maschinen leicht reproduziert werden kann.

Sie besteht aus 18 Schichten aus Karbon und anderen Materialien, die sich in einer einzigen Faltbewegung in eine dreidimensionale Roboterbiene verwandeln lassen. Als Inspirationsquelle diente den Forschern die japanische Papierfaltkunst Origami. Die aufklappbare Biene wiegt lediglich 90 Milligramm und ist etwa so groß wie eine 50-Cent-Münze. Mit ihren Flügeln kann sie schon heute schlagen.

Zum Abheben fehlt ihr allerdings bisher die nötige Energie. Denn für eine Batterie ist an Bord noch nicht genügend Platz.

Noch keine Revolte der Maschinen

Die Bioingenieure aus Harvard möchten mit der Mobee künstliche Bienenschwärme schaffen, die autonome Kolonien bilden. Die könnten vermisste Menschen in Gebäuden suchen oder Schadstoffe nach Chemieunfällen beseitigen. Doch auch das Militär will die Insekten nutzen. Zu den Geldgebern des Projekts gehört die US Army.

Zudem fördern die US-Militärs auch die Entwicklung von „hybriden Insekten“: In Experimenten bringen Wissenschaftler an lebenden Fliegen eine künstliche Steuerung an, welche die Flugbewegungen kontrollieren soll. Auch diese Cyborg-Insekten sollen sich unbemerkt in feindliches Gebiet einschleichen können.

Droht uns in Zukunft womöglich gar eine Revolte der Maschinen, bei der intelligente Drohnen die Macht übernehmen? Raffaello D’Andrea, der Herr der Zürcher Quadrocopter, fürchtet nicht, dass seine Maschinen ein unkontrollierbares Eigenleben entwickeln könnten. „Ich kann ihr Verhalten zu jedem Zeitpunkt mathematisch präzise voraussagen“, sagt D’Andrea.

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Sagt er. Doch so ganz scheint er der Sache nicht zu trauen: In seinem Zürcher Drohnen-Testcenter hat er einen für jeden sichtbaren, knallroten Notschalter installieren lassen, der seine Drohnen sofort in einen Tiefschlaf versetzen kann.

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