Onderzoekers van de Technische Universiteit München (TUM) hebben een nieuw meetsysteem ontwikkeld waarbij een drone en een laser samenwerken om vulkanische gaswolken nauwkeurig in kaart te brengen. Een laserstraal wordt vanaf de grond door de gaswolk op een reflector onder een drone gericht. Uit de verzwakking van het teruggekaatste licht kan de concentratie van onder meer koolstofdioxide worden afgeleid. De techniek moet vulkanologen helpen om veranderingen in vulkanische activiteit eerder en nauwkeuriger te herkennen.
Inhoudsopgave
Gassen als voorbode van een uitbarsting
Naarmate magma vanuit het binnenste van de aarde richting het oppervlak stijgt, komen steeds meer opgeloste gassen vrij. Vooral koolstofdioxide (CO₂) en zwaveldioxide (SO₂) geven onderzoekers waardevolle informatie over processen die zich onder het aardoppervlak afspelen.
Met name de verhouding tussen CO₂ en SO₂ geldt als een belangrijke indicator voor naderende vulkanische activiteit. De oplosbaarheid van beide gassen in magma is onder meer afhankelijk van de druk en verandert daardoor met de diepte. Veranderingen in de samenstelling van een vulkanische gaswolk kunnen dus iets zeggen over bewegingen van magma.
Volgens vulkanoloog Nicole Bobrowski van de Universiteit van Heidelberg blijkt uit onderzoek bij onder meer de Etna, de Eolische Eilanden en de Campi Flegrei dat ieder vulkaangebied een eigen karakteristieke ‘gassignatuur’ heeft. Kort voor een uitbarsting kan die samenstelling sterk veranderen. Zo kan de verhouding tussen koolstofdioxide en zwaveldioxide eerst snel oplopen en vervolgens weer dalen voordat een eruptie begint.
Nadelen van metingen vanaf de grond
Traditioneel worden dergelijke gasmetingen vaak vanaf de grond uitgevoerd. Dat levert echter een probleem op: gemeten koolstofdioxide hoeft niet uitsluitend van de vulkaan afkomstig te zijn. Ook vegetatie en de bodem stoten CO₂ uit, waardoor achtergrondsignalen de meetresultaten kunnen beïnvloeden.
Drones bieden de mogelijkheid om metingen boven of midden in een gaswolk uit te voeren. Dat is niet alleen veiliger voor onderzoekers, maar kan ook nauwkeurigere gegevens opleveren. Toch hebben sensoren aan boord van drones een belangrijk nadeel: de neerwaartse luchtstroom van de propellers kan de gaswolk lokaal verdunnen of verspreiden.
Uit het bijbehorende wetenschappelijke onderzoek blijkt dat dit effect bij kleine gasbronnen zelfs zo sterk kan zijn dat een sensor aan boord van een drone een verhoogde CO₂-concentratie helemaal niet detecteert. De onderzoekers besloten het gas daarom niet direct met een sensor aan boord te meten, maar gebruik te maken van een laserstraal door de gaswolk.
Drone fungeert als vliegende reflector
Het onderzoeksteam van de Technical University of Munich ontwikkelde een systeem waarbij een laser op een kleine mobiele grondinstallatie is geplaatst. Het systeem lokaliseert automatisch een drone in de lucht en richt de laser op een reflector die aan het toestel is bevestigd.
De laserstraal passeert daarbij de vulkanische gaswolk, wordt door de drone teruggekaatst en opnieuw opgevangen. Een deel van het laserlicht wordt onderweg door het te meten gas geabsorbeerd. Aan de hand van de verzwakking van de straal kan de concentratie van het gas langs het afgelegde traject worden bepaald.
TUM-onderzoeker Marius Schaab zette het autonome systeem voor het eerst in op Vulcano, een van de Eolische Eilanden voor de kust van Sicilië. De drone vliegt daarbij gedurende tien tot vijftien minuten een vooraf bepaalde route en kan zich tot circa zestig meter van de laserinstallatie verwijderen. Tijdens één vlucht worden tot 3.000 metingen uitgevoerd.
Tomografische kaart van de gaswolk
Een algoritme verwerkt de duizenden afzonderlijke metingen tot een tomografische kaart van de gasconcentraties op een bepaalde hoogte. Daarbij worden ook de lokale windomstandigheden meegenomen. Wind verplaatst de gaswolk immers continu en kan zonder correctie leiden tot een vertekend beeld van de locatie en concentratie van het gas.
De onderzoekers gebruiken hiervoor een model dat rekening houdt met de verplaatsing van gas door de wind. In experimenten bleken de gereconstrueerde gasverdelingen goed overeen te komen met handmatig uitgevoerde metingen met sensoren in het veld. Eerder windtunnelonderzoek wees volgens TUM op een meetfout van ongeveer vijf procent.
De gebruikte techniek is gebaseerd op Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS). Daarbij wordt laserlicht met een specifieke golflengte door een gas geleid. Omdat verschillende gassen licht op karakteristieke golflengten absorberen, kan uit het ontvangen signaal de concentratie van een specifiek gas worden afgeleid.
AI moet data interpreteren
Het uiteindelijke doel van de onderzoekers is om zowel het uitvoeren van de metingen als het genereren van de kaarten volledig te automatiseren. Vervolgens zou kunstmatige intelligentie de meetgegevens kunnen interpreteren en opvallende veranderingen in de gasconcentraties herkennen.
„Ons doel is om de meet- en karteringsprocessen te automatiseren en kunstmatige intelligentie de gegevens te laten interpreteren”, zegt professor Achim Lilienthal, vice-directeur van het TUM MIRMI Robotics Institute. Lilienthal doet al jaren onderzoek naar het ‘reukvermogen’ van robots en past nu voor het eerst een autonoom detectiesysteem met een drone toe voor het monitoren van vulkaangebieden.
Naast geofysische metingen en temperatuurwaarnemingen kunnen veranderingen in vulkanische gassen daarmee een steeds belangrijkere rol spelen bij het inschatten van de kans op een uitbarsting. De drone hoeft daarbij geen complexe gassensor mee te voeren: een reflector is voldoende om vanuit de lucht duizenden meettrajecten door een vulkanische gaswolk mogelijk te maken.
(Bron: TUM – coverfoto: Andreas Schmitz)
