Im August 2015 versammelte sich eine Gruppe von Meeresforschern an der Küste Costa Ricas, um das Nistverhalten der seltenen Meeresschildkröte Olive Ridley zu untersuchen. Die Wissenschaftler wollten das mysteriöse Verhalten der Schildkröten vor der Küste herausfinden - ein Phänomen, das selbst Experten für die jährliche Migration der Reptilien, die so genannte Arribada, nicht bekannt ist. Dazu wandten sie sich einem unwahrscheinlichen Forschungsinstrument zu: Drohnen. Weit über ihnen überblickte ein senseFly eBee-Starrflügel die Szene.
Mit dem Segelflugzeug konnten die Forscher die Schildkröten beobachten, die sich vor der Küste in Gruppen versammelten, bevor sie zum Strand gingen, um dort zu nisten. Diese Entdeckung warf neue Verhaltensfragen auf. Doch nach fünf Flügen bemerkte der Drohnenspezialist Rett Newton von der Duke University etwas Merkwürdiges. Der Sand vom Strand klebte an den Metallteilen des Flugzeugs. Noch alarmierender war, dass ein seltsames Geräusch vom Motor ausging.
"Als wir anfingen, den Motor anzutreiben, hörten wir einige knusprige Geräusche", sagt Newton. Es war, wenn Sand in den Zahnrädern war.
Dort war. Der vulkanische Sand hatte eine magnetische Anziehungskraft auf die Motoren des Motors. Dies war eine Herausforderung, mit der Forscher nicht gerechnet hatten. Besorgt, dass der Sand die elektronischen Sensoren der Drohne stören würde, zogen sie zu einem nahe gelegenen Fußballplatz und Ackerland. "Sonst hätte es unser Flugzeug völlig zerstört", sagt Newton.
Drohnen sind nicht nur für das Militär und technologisch geneigt. Jetzt wenden sich Forscher, die normalerweise über Tauchen oder Waten nachdenken, dem Himmel zu, um Fragen zu beantworten, die ansonsten unbeantwortet bleiben würden. Drohnen oder unbemannte autonome Systeme (Unmanned Autonomous Systems, UAS) können einen entscheidenden Vorteil bieten, wenn es darum geht, Seelöwenpopulationen zu zählen, Korallenriffe zu verfolgen, Phytoplanktonblüten abzubilden und sogar Walen einen Alkoholtest zu geben.
Der Übergang vom Landeinsatz von Drohnen zum Einsatz auf offenem Meer stellt jedoch große Herausforderungen dar - wie die Meeresschildkrötenexpedition von Olive Ridley zeigt. Im Fall des Meeresschildkrötenprojekts wurde magnetischer Sand zu einer weiteren Herausforderung auf einer Liste von Überlegungen zur Missionsplanung, die bereits Salzwasser, reflektierende Blendung, kurze Batterielebensdauer, unruhiges Wasser und windige Bedingungen umfassten.
Warum glauben einige Forscher, dass sich der Einsatz von Drohnen im Ozean lohnt?
Eine seltene olivgrüne Meeresschildkröte kommt am Strand von Ostional, Costa Rica an. Drohnen könnten Forschern helfen, ihr mysteriöses Verhalten vor der Küste herauszufinden. (Solvin Zankl / Alamy) Ein Grund dafür, dass Forschungseinrichtungen gerne Drohnen einsetzen, ist, dass der Preis für Konsumdrohnen endlich in ihre Grenzen geraten ist. Eine Low-End-Drohne, die für Unterrichtszwecke verwendet wird, kann bis zu 500 US-Dollar kosten, und High-End-Modelle mit hochentwickelten Sensoren und Kameras kosten Aufkleber zwischen 20.000 und 50.000 US-Dollar. Ein weiterer Grund ist, dass Feldeinsätze im offenen Ozean für die Besatzungsmitglieder von Natur aus gefährlich sind - ebenso wie Flugzeuge. Eine Studie des Wildtierbiologen Hazards aus dem Jahr 2003 führte zum Absturz von Leichtflugzeugen als Todesursache Nummer eins bei Feldforschern.
Das Verteidigungsministerium begann 1994 mit der Erfindung des Predators mit dem landgestützten Einsatz von Drohnen. Seitdem sind Drohnen allgegenwärtige - und manchmal umstrittene - militärische Instrumente geworden. Laut John C. Coffey, leitender Systemingenieur der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), wurden Drohnen jedoch erst vor fünf Jahren zu einem Schwerpunkt der Meeresforschung. Während sie auf NOAA-Projekte zurückgehen, die vor etwas mehr als einem Jahrzehnt entstanden sind, mussten eine Reihe von Hindernissen gelöst werden, bevor die Technologie zuverlässig genug für den Einsatz im Feld wäre.
Eine Schiffsumgebung kann für eine Drohne ziemlich verwirrend sein. „Der Schiffsbetrieb ist zehn- bis hundertmal härter als der Betrieb an Land“, sagt Coffey. Um das Gleichgewicht und die Richtung aufrechtzuerhalten, stützt sich die Drohne auf eine Reihe von Sensoren, die die Schwerkraft, den atmosphärischen Druck, das Erdmagnetfeld und die Winkeldrehung messen. Diese Sensoren sind auf die Umgebungsbedingungen vor dem Flug kalibriert. Aber ein Schiffsdeck sorgt für einen steinigen Start. Das Schaukeln kann zu einer schlechten Kalibrierung führen, wodurch die Drohne zu einem unerwarteten Schwimmflug in der Luft geschickt wird und von frustrierten Wissenschaftlern eine Rettungsmission ausgelöst wird. Wasserdichte Drohnen sind vorhanden, unterstützen jedoch häufig nicht die geeigneten Sensoren für die Datenerfassung.
"Das Abheben und Landen von einem sich bewegenden Ziel ist sehr schwierig", sagt Coffey. Zusätzlich sendet das Schiff selbst eine Reihe von Signalen aus, wie Radar und Funk, die Probleme für einen Drohnen-Midflight verursachen können. Diese Signale werden als elektromagnetische Störungen bezeichnet und müssen vor einer geplanten Mission berücksichtigt werden. Die Hindernisse eines instabilen Meeres veranlassten einige Wissenschaftler, kreativer vorzugehen.
Michael Moore von der Woods Hole Oceanographic Institution erforscht Meeressäugetiere, insbesondere große Bartenwale wie Buckelwale und Glattwale. Er arbeitet seit 37 Jahren mit diesen Riesen zusammen und interessierte sich vor 20 Jahren für die Beurteilung der Walgesundheit anhand von Luftbildaufnahmen mit kleinen Flugzeugen. Inspiriert von der Arbeit eines Kollegen mit Drohnen zur Untersuchung der Pinguinpopulation in der Antarktis, beschloss Moore 2013, den Einsatz von Drohnen zu versuchen.
Wale leben in beträchtlicher Entfernung von der Küste, und da die FAA eine Sichtverbindung zwischen einem Piloten und einer Drohne erfordert, kam ein Start an der Küste nicht in Frage. Stattdessen mussten Moore und seine Kollegen eine Drohne von einem kleinen Boot aus fliegen. Als er jedoch Kontakte in der Marine nach der Fluglogistik befragte, erhielt er laut Moore warnende Zweifelsbekundungen.
Zuerst haben die Wissenschaftler die Drohne ausgetrickst, indem sie an Land kalibriert und sie sofort abgeschaltet haben, bevor sie zum Boot gebracht und auf das Wasser hinausgefahren sind. Ein Ingenieur aus Moores Team, Don LeRoi, entwickelte später einen Code-Patch für die von ihnen verwendete Mikrokopter-Drohne und bis 2014 übernahm Mikrokopter den Code für den „Boot-Modus“ in sein Betriebssystem. 3D Robotics, der größte US-amerikanische Hersteller von Consumer-Drohnen, gab diesen April bekannt, dass er ähnliche Software in seiner neuen Solo-Drohne unterstützen wird.
"Ratet mal, wir haben es herausgefunden", sagt Moore.
Dieses Foto wurde ebenfalls von einem Hexakopter aufgenommen und zeigt den vergleichenden Körperzustand von Killerwalen. Das Weibchen oben wirkt dünn und in schlechtem Zustand. Der Wal am Boden ist schwanger, ihr Körper wölbt sich hinter dem Brustkorb. (NOAA, Vancouver Aquarium) Moore setzt nun regelmäßig Drohnen ein und perfektioniert eine Methode zum Sammeln von Walschlägen, bei der eine Hexacopter-Drohne sechs bis zehn Fuß über einem untergetauchten Wal schwebt und darauf wartet, dass das Tier auftaucht und ausatmet. Auf der Drohne befindet sich eine sterilisierte Platte, die den kondensierten Dampf sammelt. Moore hofft, genügend chemische Daten wie DNA, mikrobielle Präsenz und Hormonspiegel aus dem Walatem sammeln zu können, um eine Methode zur Bewertung der Gesundheit der Wale zu entwickeln. Voraussetzung für eine erfolgreiche Erfassung ist, dass der Drohnenpilot die Drohne sofort im Schussbereich des Blaslochs platziert.
Vom Boot aus verlassen sich Wissenschaftler auf visuelle Hinweise. "Die (Drohne) neigt dazu, ein wenig zu flimmern", sagt Moore.
Vielleicht gewaltiger als die technischen Herausforderungen der Drohnen für die Meeresforschung sind die bürokratischen Herausforderungen der FAA. Operationen durch die NOAA, eine Regierungsbehörde, haben ein Standardprotokoll ähnlich allen anderen öffentlichen Flugzeugen, die in den Himmel fliegen, aber öffentliche Einrichtungen wie Universitäten und Forschungseinrichtungen müssen eine Ausnahme beantragen. Unter der Ausnahmeregelung muss der Drohnenpilot ein lizenzierter Pilot sein, die Drohne tagsüber unter 400 Fuß fliegen und sich in Sichtweite der Drohne befinden.
Eine neue Entwicklung könnte es Forschern jedoch erleichtern, auf Drohnen für diese Art von Forschung zuzugreifen und sie zu verwenden. Ab dem 29. August hat ein neuer Abschnitt in den FAA-Bestimmungen (Abschnitt 107) das Ziel, die Anzahl der Nicht-Hobbyisten, die Zugang zu Drohnen haben, zu erhöhen, indem ein spezieller Test hinzugefügt wird, bei dem eine Person aus einer Institution oder einem Unternehmen ein zertifizierter Drohnenpilot werden kann .
Die Duke University hat im Herbst 2015 sogar ein neues Zentrum eröffnet, die Einrichtung für unbemannte Systeme für Meeresschutzökologie, um interessierten Forschern und Studenten dabei zu helfen, die komplizierten Technologien und Vorschriften für drohnenbasierte Meeresforschungsprojekte zu erlernen. Das Zentrum bot in diesem Sommer seine ersten Kurse an und plant die Fertigstellung seines Zentrums in einem renovierten Bootshaus bis Ende Oktober. Ein Workshop zum Einsatz von Drohnen für Marineanwendungen bei Duke im Sommer 2015, an dem über 50 Experten für autonome Fahrzeugtechnologie teilnahmen, unterstrich die Notwendigkeit eines Zentrums zur Koordinierung regionaler und globaler Projekte.
David Johnston, der Direktor der Einrichtung, sagt, er hoffe, dass die Universität ein Zentrum für die Zusammenarbeit und den Austausch von Informationen für die künftige Drohnenforschung im Ozean sein kann. Rückschläge wie die magnetische Störung durch den Sand in Costa Rica sieht er als Notwendigkeit, die Technologie voranzutreiben. "Drohnen sind ein weiteres Beispiel dafür, wie wir die Umgebung auf neue Art und Weise untersuchen und Fragen beantworten können, die wir nicht ohne Weiteres oder überhaupt nicht hätten lösen können."
Erfahren Sie mehr über die Meere mit dem Smithsonian Ocean Portal.
