Wenn es um die elektrische Luftfahrt geht, ist einer der Hauptvorteile, dass kleine Drohnen heute verfügbar sind und nicht zum Problem des Klimawandels beitragen. Aber können sie uns dabei helfen, mit dem Klimawandel fertig zu werden, den gas- und kerosinbetriebene Flugzeuge mitgeschaffen haben? Es stellt sich heraus, dass die Antwort darauf ein klares „Ja!“ ist.
Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums nutzen Sensoren, Drohnen und maschinelles Lernen, um Brände zu verhindern und gleichzeitig ihre Schäden am Stromnetz infolge des Klimawandels zu minimieren. Ingenieure entwickeln Fernerkundungstechnologien, die elektrische Lichtbögen und fehlerhafte Geräte sowie Brandausbreitungsmuster erkennen können.
Das Energieministerium (DOE) stellte im vergangenen Jahr Finanzmittel für mehrere Projekte zur Bekämpfung von Waldbränden bereit, von denen zwei im Oak Ridge National Laboratory durchgeführt wurden. „Wir haben uns entschieden, diese Forschung zu beschleunigen, weil wir erkennen, wie kritisch und gefährlich Waldbrände aufgrund des Klimawandels und anderer Faktoren geworden sind“, sagte Stewart Cedres, ein leitender technischer Leiter und Stratege des DOE. Lauffeuerschäden an Übertragungsleitungen können Stromausfälle und Stromausfälle mehrere Bundesstaaten entfernt verursachen, stellte er fest.
Nie war die Not größer. Nach Angaben des National Interagency Fire Center ereigneten sich die katastrophalsten Brände in der Geschichte seit 2004, gleichzeitig mit mehreren der wärmsten Jahre seit Beginn der Aufzeichnungen. Angesichts der Tatsache, dass viele Brände durch Stromleitungen ausgelöst werden und Waldbrände weit verbreitete Stromausfälle verursachen können, müssen Stromversorgungsunternehmen eine wichtige Rolle bei der Lösung des Problems spielen.
„Die Arbeit, die ORNL mit Sensortechnologie für Drohnen leistet, die über die Sichtlinie hinausgehen können, ist einzigartig und sehr kritisch, weil sie es uns ermöglicht, Problemen, die das Netz gefährden und es unzuverlässig und weniger widerstandsfähig machen können, mehrere Schritte voraus zu sein.“ sagte Cedres.
Cedres erklärte, dass das Energieministerium zwei Gründe hat, Brände in der Nähe des Stromnetzes vermeiden zu wollen: das Verhindern, dass Brände durch das Stromnetz ausgelöst werden, und das Schützen des Stromnetzes vor Bränden. Auf beide Probleme konzentriert sich ein ORNL-Team unter der Leitung von Peter Fuhr, Leiter der ORNL-Gruppe Grid Communications and Security. Das Team arbeitet auch an der Verbesserung der Branderkennung für den US Forest Service, der hauptsächlich für die Bekämpfung von Waldbränden zuständig ist.
Im Juli erklärte das Weiße Haus, dass sich die Biden-Administration der Untersuchung von Waldbränden und dem besten Schutz der Menschen vor ihnen verschrieben habe. Fuhrs Team recherchiert kontinuierlich zu diesem Thema, um verlässliche Informationen zu liefern.
Wie Drohnen helfen können, Waldbrände zu verhindern
Sensoren, die in der Nähe von Stromleitungen oder in Leistungselektronikgeräten platziert sind, können Änderungen im Stromfluss erkennen und überhitzte Funken verursachen. Der ORNL-Wissenschaftler Ali Ekti arbeitet an einem Algorithmus, der diese Lichtbogenereignisse identifizieren und kategorisieren kann, wenn sich Elektrizität mit hoher Geschwindigkeit zwischen zwei Leitern durch die Luft bewegt.
Ekti verwendet eine Bibliothek von Wellenform-„Signaturen“, die von Versorgungsunternehmen und Universitäten bereitgestellt werden und Spannungs- oder Stromspitzen aufweisen, die durch Anomalien wie Lichtbögen verursacht werden. Seine Technik lokalisiert diese Anomalieregionen. Die nächste Phase wäre, ein Softwareprogramm zu trainieren, um ähnliche Signaturen zu identifizieren und zu lokalisieren, wo der Lichtbogen auftritt. Wenn der Bereich zugänglich ist, benachrichtigt der Algorithmus, der in Leistungselektronikgeräten implementiert sein kann, die Kommandozentrale des Versorgungsunternehmens, damit das Personal ihn untersuchen kann.
Hier können Drohnen wirklich glänzen. Lichtbögen können an abgelegenen Orten auftreten, die schwer zugänglich sind. Kleine Lichtbögen können aufgrund ihrer geringen Größe oder weil sie von anderen elektrischen Komponenten verdeckt werden, schwer zu erkennen sein. Laut Fuhr sind sie auch teurer zu fliegen und schwerer schnell zu planen.
„Drohnen sind bereits für das Vegetationsmanagement da draußen. Warum verwenden wir also nicht eine zusätzliche Technologie auf derselben Plattform, um gleichzeitig auf Lichtbögen zu prüfen?“ sagte Fuhr. „Wir veranstalten im kommenden Jahr Demonstrationen bei großen und kleinen Versorgungsunternehmen im ganzen Land.“
Die Drifting-Arc-Technologie hat, selbst wenn sie für kommerzielle Zwecke verwendet wird, ein deutliches Potenzial, schwere Schäden zu verursachen, wenn sie nicht richtig kontrolliert wird. Drohnen mit Sensoren, die Videos aufzeichnen und Wärme, Hochfrequenzsignale und andere Emissionen von winzigen Lichtbögen erkennen, sind eine interessante Alternative. Diese integrierten Sinne können erkannte Probleme identifizieren und Störungen entgegenwirken.
Drohnen helfen nicht nur, den Wartungsbedarf zu erkennen, bevor Brände ausbrechen, sondern die Erfahrung des ORNL mit dem Betrieb von Drohnen außerhalb der Sichtlinie (BVLOS) ermöglicht auch die Inspektion von Übertragungsleitungen über große Entfernungen. Kürzlich erteilte die Federal Aviation Administration Fuhrs Team die Genehmigung, Drohnen in den gesamten USA und mit Sondergenehmigung bis zu 1.500 Fuß über dem Boden zu fliegen.
Obwohl an Drohnen montierte Audiosensoren traditionell Schwierigkeiten haben, zwischen dem Geräusch von Lichtbögen und dem eines fliegenden Propellers zu unterscheiden, hat Ekti eine mathematische Methode entwickelt, um das Geräusch von Lichtbögen erfolgreich zu isolieren.
Helfen, Brände zu stoppen, nachdem sie begonnen haben
Nicht jeder Brand lässt sich auf diese Weise verhindern, und die meisten Brände werden nicht durch defekte elektrische Geräte ausgelöst. Das Team des ORNL arbeitet auch daran, Drohnen in den Kampf gegen Waldbrände zu bringen, nachdem sie begonnen haben. In Montana in der Nähe des Kootenai National Forest werden ORNL-Forscher bald Drohnen einsetzen, um großen Flammen vorauszufliegen und nach thermischen Anzeichen von Funken zu suchen.
In diesem Sommer stellte das Team seine Technik auf einer Farm auf die Probe, indem es Lagerfeuer aus brennendem Gel-Brennstoff in geschlossenen Bereichen entzündete. Sie taten dies, um herauszufinden, wie hoch ein an einer Drohne montierter Sensor sein müsste, um die winzigen Flammen darunter zu identifizieren. Die Brennstoffspezialistin des US Forest Service, Marva Willey, die im Werkzeug- und Technologieteam der Behörde tätig ist, sagte, dass diese Fähigkeit ein Wendepunkt bei der Bekämpfung von Waldbränden sein könnte.
„Wärme erkennende Sensoren haben so viele Anwendungen, die unser Situationsbewusstsein und unser Wissen darüber, wo Hitze und Feuer sind, verbessern können“, sagte sie. „Es geht darum, zu wissen, was vor sich geht, bevor man Leute da draußen hinsetzt.“
Willey erklärte, dass an Drohnen angebrachte Sensoren helfen könnten, neue Brände zu finden, die durch Glut verursacht werden, die bis zu einer Meile vom Hauptbrand entfernt sein kann. Da diese Glut normalerweise unter Baumkronen versteckt liegt, wo Rauch nicht sichtbar ist, könnte sie außer den Drohnen niemand sonst entdecken. Die Drohnen könnten auch verwendet werden, um Hot Spots zu lokalisieren, die in einem abgebrannten Gebiet verbleiben; So wie es jetzt aussieht, müssen Feuerwehrleute die Asche manuell durchsuchen, um übrig gebliebene Hotspots zu finden.
„New Mexico brannte Anfang dieses Jahres, und wenn Sie die Verwüstung sehen, die mit dem Lagerfeuer (2018) und dem daraus resultierenden Bankrott des Versorgungsunternehmens passiert ist – wenn unsere Aktivitäten diese Art von Ergebnissen reduzieren können, ist das gut für alle“, Fuhr sagte.
Ausgewähltes Bild zur Verfügung gestellt vom Oak Ridge National Laboratory.
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