Radioaktives Material schnell und präzise lokalisieren
Radioaktive, chemische oder biologische Stoffe sind in Bedrohungslagen
meist unsichtbar und lassen sich aus der Distanz nicht detektieren.
Forschende am Fraunhofer-Institut für Kommunikation,
Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE nutzen speziell ausgerüstete
Drohnen und Roboter, um radioaktive Quellen schnell und präzise zu
lokalisieren.
Chemische, biologische, radiologische, nukleare und explosive Substanzen
(kurz CBRNE-Substanzen) können Bevölkerung und Einsatzkräfte gefährden. So
führte 2023 eine von einem Lastwagen gefallene, nur Millimeter große
Cäsium-Kapsel in Australien zu einer groß angelegten Suchaktion. Durch die
steigende Zahl hybrider Angriffe und diverser Destabilisierungsmaßnahmen
hat sich die Bedrohungslage zudem zuletzt verschärft. Zwei
Forschungsabteilungen des Fraunhofer FKIE beschäftigen sich daher intensiv
mit der Frage, wie sich Drohnen (Unmanned Aerial Systems – UAS) und
Roboter (Unmanned Ground Vehicles – UGV) einsetzen lassen, um Menschen in
diesen Bedrohungslagen bestmöglich zu unterstützen. Die Leistungsfähigkeit
solcher Systeme steht seit vielen Jahren beim European Robotics Hackathon
(EnRicH) im AKW Zwentendorf und beim European Land Robot Trial (ELROB) auf
dem Prüfstand. Beide Veranstaltungen werden von den Forschenden der
Abteilung Kognitive Mobile Systeme im jährlichen Wechsel mitorganisiert
und tragen dazu bei, Drohnen und Roboter unter realistischen
Einsatzbedingungen auf ihre Praxistauglichkeit zu testen und anhand der
Ergebnisse ganz konkret weiterzuentwickeln.
Hochautomatisiertes UAS zur Aufklärung radioaktiver Quellen
Im Auftrag des Wehrwissenschaftlichen Instituts für Schutztechnologien –
ABC-Schutz (WIS) arbeiten Forschende der Abteilung Sensordaten- und
Informationsfusion an einem Unmanned Aerial System für die schnelle,
präzise Identifizierung und Lokalisierung radioaktiver Quellen. Ein erster
Technologiedemonstrator wurde bereits in Feldversuchen auf dem Gelände des
WIS in Munster getestet: Er ist in der Lage, innerhalb weniger Minuten
eine radioaktive Quelle bis auf wenige Meter genau aufzuspüren. »Die
Cäsiumkapsel in Australien wurde erst nach einer tagelangen Suche mit
Handdetektoren gefunden. Mit unserem UAS hätten wir die radioaktive Kapsel
deutlich schneller entdecken können«, sagt Claudia Bender,
Wissenschaftlerin am Fraunhofer FKIE, die den Technologiedemonstrator
gemeinsam mit ihrem Kollegen Torsten Fiolka konzipiert.
Explorationsphase und zielgerichtete Suchphase kennzeichnen den
Aufklärungsprozess
Die Expertise der Forschenden liegt insbesondere in der komplexen
Datenverarbeitung, Sensordatenfusion und der Automatisierung. Der
Aufklärungsprozess wird hochautomatisiert durchgeführt und besteht aus
einer Explorations- und einer Suchphase. Während der Explorationsphase
überfliegt das UAS das Zielgebiet grob und sammelt kontinuierlich Daten
über die Umgebung. Dann wechselt es in einen zielgerichteten Suchmodus. In
diesem Modus passt sich die Flugbahn der Drohne dynamisch an das bisher
akkumulierte Wissen über die Umgebung sowie aktuelle Sensorinformationen
an. Hierfür werden stochastische Verfahren verwendet, die die
Wahrscheinlichkeit verschiedener Positionen der Quelle schätzen. »Nachdem
der Pilot die Drohne gestartet hat, fliegt sie zunächst ein fixes
Flugmuster ab. Sobald ausreichend Sensordaten vorliegen, wechselt das
System in den adaptiven Suchmodus und berechnet anhand der gesammelten
Informationen selbstständig, wo sich die Quelle befinden könnte«,
erläutert die Forscherin den Vorgang. »Dann generiert sie solange
Wegpunkte, bis sie den Gefahrenstoff lokalisiert hat und meldet die
präzise Position der Quelle.« Eine Heatmap zeigt die überflogenen Gebiete
mit den Strahlungsintensitäten räumlich an. Zusätzlich kann man sich in
einer Wahrscheinlichkeitskarte darstellen lassen, in welcher Zelle die
Wahrscheinlichkeit am höchsten ist, dass sich das radioaktive Material
dort befindet.
Für die Aufklärung hat die Drohne neben einem Gammadetektor, der die
Strahlungswerte misst, weitere Sensorik an Bord. Elektrooptische und
Infrarotkameras, ein Intel NUC Computer für die Datenverarbeitung, eine
Inertial Measurement Unit (IMU) sowie ein LTE-Stick, mit dem sich die
Daten vom Boden aus überwachen lassen, komplettieren die Ausstattung. Die
Kameras zeigen das Live-Bild an, das die Drohne sieht. Sie könen Objekte
wie Personen, Gebäude und Fahrzeuge detektieren und georeferenziert auf
einer Karte anzeigen. Die Inertial Measurement Unit wiederum erfasst die
Lage und die Bewegung der Drohne im Raum.
Der Technologiedemonstrator ist das Ergebnis der Forschungsarbeiten im
Projekt HUGIYN (Hochautomatisiertes UAS für die Aufklärung und
Identifikation y-strahlender Nuklide). Im Folgeprojekt SLEIPNIR
(AutomatiSierte Luftgestützte Erkennungs- und Identifikationsplattform für
Nuklide und Isotope aus Radioaktiven Quellen) wollen die Forschenden unter
anderem die Fluggeschwindigkeit des UAS erhöhen und verschiedene Nuklide
wie Cäsium und Cobalt zeitgleich lokalisieren.
Experimentelle CBRNE-Roboter unterstützen bei der Erkennung und Bergung
von radioaktiven Gefahrstoffen
In Situationen, die für Menschen zu gefährlich sind, unterstützen neben
Drohnen auch unbemannte Landfahrzeuge. Roboter, die mit CBRNE-Sensorik und
autonomen Assis-tenzfunktionen ausgestattet sind, übernehmen dann die
Aufklärung. Die intelligente Kombination von CBRNE-Aufklärungssensorik,
Navigationsstrategien und Geodatenverarbeitung mithilfe unbemannter
Landfahrzeuge stellt einen Forschungsschwerpunkt von Dr. Frank E.
Schneider dar, stellvertretender Leiter der FKIE-Abteilung Kognitive
Mobile Systeme.
»In Vorbereitung auf Ereignisse mit RN-Material wie zum Beispiel
Tschernobyl wurde in Deutschland ein behördliches
Radioaktivitätsüberwachungssys
mehreren Kilometern sind rasterartig Sensoren über ganz Deutschland
verteilt, welche die aktuellen radioaktiven Strahlungswerte kontinuierlich
an das Bundesamt für Strahlungsschutz melden. Die vom Roboter während
einer Voraufklärung in einer potenziellen Gefahrenzone festgestellte
Strahlungsintensität gleichen wir mit dem »Normalwert« ab, den das
Radioaktivitätsüberwachungssys
Datenfusion werden die Werte in einer Strahlungskarte, der Heatmap,
zusammengeführt, um eine mögliche Bedrohungslage zu bestätigen oder
auszuschließen«, veranschaulicht Schneider das Einsatzszenario.
Ein weiterer Fokus der Abteilung Kognitive Mobile Systeme liegt auf der
Entwicklung intelligenter Navigations- und Assistenzfunktionen, die eine
kontrollierte Steuerung der CBRNE-Roboter erleichtern: Sie stellen sicher,
dass der Roboter den kompletten Gefahrenbereich abfährt und so die
Strahlenquelle sicher lokalisieren kann. Weitere Messungen des Roboters
informieren den Leitstand über die Größe der Gefahrenzone, die Art des
gefundenen Strahlenmaterials und die Positionen bzw. Koordinaten, in denen
der Sicherheitskorridor angelegt werden sollte. Die so gewonnenen Daten
liefern den Experten und Einsatzkräften die Grundlage für das weitere
Vorgehen.
»Click & Grasp«-System befähigt Greifarm, komplexe Bewegungen auszuführen
Per Mausklick in ein Live-Videobild befähigt ein smartes »Click &
Grasp«-System den Greifarm des Roboters, Gegenstände automatisiert
aufzunehmen und an anderer, ebenfalls per Mausklick angewiesener Stelle,
wieder abzulegen. In Praxistests konnte das System autonom nach
ausgetretenem Material greifen, es auf Strahlung überprüfen,
abtransportieren und in einem speziellen Behälter deponieren. Selbst
komplexe Bewegungsabläufe wie das Öffnen von Autotüren gelingen dank der
innovativen Assistenzfunktion, sodass sogar der Zugriff auf radioaktives
Material in geschlossenen Räumen möglich ist.
Zudem arbeitet das Team rund um Dr. Schneider an neuen Bedienkonzepten,
die mittels spezieller Sensorik ein photorealistisches 3D-Modell generiert
und eine virtuelle Realität erzeugt, sodass der Bediener Objekte aus
verschiedenen Blickwinkeln betrachten kann, ohne den Roboter bewegen zu
müssen. »Der Bediener erhält quasi ein erweitertes Situationsbewusstsein«,
so der Forscher. Darüber hinaus erlauben an der menschlichen Hand und dem
Arm angebrachte Sensoren die Armbewegung des Menschen auf die des Roboters
zu übertragen. Der Manipulator erhält auf diese Weise intuitive
Steuerungsmöglichkeiten. »Diese neue Assistenzfunktion nennen wir
›Jackensteuerung‹. Sie ermöglicht es auch Einsatzkräften, die keine
ausgewiesenen Fachkräfte sind, den Roboter intuitiv zu steuern.«
1Etwa 1700 über Deutschland verteilte Messstellen des Gamma-
Ortsdosisleistung (ODL)-Messnetzes des Bundesamts für Strahlenschutz
