Um die Risiken, die von vulkanischen Aktivitäten ausgehen, besser einschätzen zu können, haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) ein neuartiges Messsystem entwickelt. Diese Technik kommt derzeit auf der Liparischen Insel Vulcano sowie am Ätna zum Einsatz, um gefährliche Gasemissionen zu überwachen. Mithilfe von Drohnen sind die Forscher in der Lage, Gaskonzentrationen präzise zu erfassen und so potenzielle Ausbrüche frühzeitig zu identifizieren.
Das innovative System basiert auf der Nutzung von Laserstrahlen, die durch Gaswolken geschickt werden. Diese Strahlen werden an Flugrobotern reflektiert. Die zurückkehrenden Signale ermöglichen es einem Algorithmus, eine detaillierte Karte der Gasverteilung zu erstellen. Besonders das Verhältnis von Kohlendioxid (CO2) zu Schwefeldioxid (SO2) ist hierbei von großer Bedeutung, da es Aufschluss über die Aktivitäten im Inneren des Vulkans gibt. Ein Anstieg dieser Gase deutet meist auf eine zunehmende Aktivität des Vulkans hin, da mehr Gas freigesetzt wird, wenn Lava aus dem Erdinneren nach oben gedrückt wird.
Traditionell wurden Messungen am Boden durchgeführt, was einige Herausforderungen mit sich brachte. Zum einen stammten die Gase nicht ausschließlich von den Vulkanen, sondern auch von der Umgebung, was die Daten verfälschen konnte. Um diese „Hintergrundsignale“ zu minimieren, setzen die Wissenschaftler nun Drohnen ein, die über den vulkanischen Gaswolken fliegen. Der Einsatz von Flugrobotern ermöglicht eine präzisere und sicherere Messung der Gaskonzentrationen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts „Messtechnik auf fliegenden Plattformen“ hat das Team um Professor Achim Lilienthal ein System entwickelt, das die Gaskonzentrationen über aktiven Vulkanfeldern autonom bestimmen kann. Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz dieser Technologie ist die autonome Messung auf Vulcano. Hierbei wird ein Laser auf einem kleinen Wagen montiert, der die Drohne in der Luft selbstständig erkennt und sich auf einen Reflektor ausrichtet. Während die Drohne eine festgelegte Flugroute abfliegt, misst das System bis zu 3.000 Mal die Gaskonzentrationen. Diese Daten werden von einem Algorithmus verarbeitet, der eine Karte der Gaskonzentration erstellt. Windverhältnisse werden ebenfalls in die Berechnungen einbezogen, was die Genauigkeit der Messungen auf etwa fünf Prozent erhöht.
Langfristig streben die Forscher an, den gesamten Prozess der Messung und Kartierung zu automatisieren und künstliche Intelligenz zur Datenanalyse zu nutzen. Dies könnte die Effizienz und Genauigkeit der vulkanologischen Überwachung erheblich verbessern.
Im Vergleich zu den Methoden der TUM verwenden Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz andere Ansätze für die Messung der chemischen Konzentrationen in der Luft. Diese setzen auf Sensoren, die in der Lage sind, die Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge zu nutzen, um die Gaskonzentrationen zu bestimmen. Ein elektrochemischer Ansatz basiert auf Redoxreaktionen an Elektrodenoberflächen. Prof. Thorsten Hoffmann von der Universität Mainz betont, dass insbesondere das Verhältnis von CO2 zu SO2 entscheidend ist, da es Informationen über die Druckverhältnisse im Magma liefert, welche sich mit der Tiefe ändern.
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass Gasanalysen in Kombination mit geophysikalischen Messungen und Temperaturanalysen wichtige Indikatoren für bevorstehende Vulkanausbrüche darstellen. An verschiedenen Standorten, wie dem Ätna und den Liparischen Inseln, zeigen sich charakteristische Gas-Spektren, die sich vor einem Ausbruch häufig verändern. Die Vulkanologin Nicole Bobrowski von der Universität Heidelberg erläutert, dass ein Anstieg des CO2- zu SO2-Verhältnisses oft ein Vorzeichen für einen bevorstehenden Ausbruch ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neue Technologie der TUM nicht nur die Genauigkeit der Messungen erhöht, sondern auch potenziell Leben retten könnte, indem sie frühzeitig vor gefährlichen vulkanischen Aktivitäten warnt. Die Entwicklungen in der Vulkanüberwachung durch den Einsatz autonomer Drohnentechnologie könnten damit einen bedeutenden Fortschritt in der Vulkanforschung darstellen und die Sicherheit in vulkanisch aktiven Regionen erhöhen.
