Chalmers vulkanforskare: ”På gränsen till vad drönare klarar av”

2020-12-13 08:00  

Svenskarnas mätinstrument finns redan vid 45 vulkaner runt om jorden. Nu har Chalmers visat att deras specialbyggda drönare är överlägsen på att undersöka utsläpp från kratrar, på 2 000 meters höjd.

Ett flertal lärosäten forskar på användning av drönare för mätning av gasemissioner från vulkaner. Svenska Chalmers ligger i toppen – både när det gäller till mätinstrument och leveranssystemet till kratern med hjälp av en specialbyggd hexacopter.

– Skälet till att vi kom in på vulkaner är att vi är bra på "remote sensing", alltså att mäta gaser på avstånd med optiska metoder, säger Bo Galle, professor emeritus vid Chalmers till Ny Teknik.

Vulkanen Manam ligger på en ö med samma namn 13 kilometer utanför Papua Nya Guineas kust. Det är en av världens mest aktiva vulkaner. Bild tagen av Nasa-satellit juni 2010. Foto: Jesse Allen/REX

Det startade med ett EU-projekt som svenskarna koordinerade i början på 2000-talet. Chalmers utvecklade ett markbaserat optiskt fjärranalysinstrument, Scandoas, som kunde mäta emissionen av svaveldioxid på cirka fem kilometers avstånd från en vulkan och visa datan i realtid.

Instrumentet blev en stor succé. I dag har det blivit ett viktigt instrument för att hålla koll på hur aktiva vulkaner är. Det finns nu installerat på 45 aktiva vulkaner runt om i världen.

Svårt att mäta med fjärranalysteknik

Att mäta emissionen och sammansättningen av gaser från en vulkan är viktigt eftersom gaserna utgör en signal från underjorden om vulkanens status.

Läs mer: Här testar Boeing fem autonoma jetflygplan

Med den optiska fjärranalysmetoden mäter Chalmers främst svaveldioxid, men en annan viktig gas att mäta är koldioxid. De två har olika löslighet i magman och därför kan en ökad andel koldioxid i gasen indikera stigande magma från stort djup, vilket kan ge en varning att ett utbrott är på gång.

– Kruxet är att det är svårt att mäta koldioxiden med fjärranalysteknik framförallt för att det redan finns så mycket koldioxid i atmosfären att det överskuggar signalen från vulkanen. Det innebär att man inte kan befinna sig på fem kilometers avstånd – utan man måste upp och mäta direkt i gasplymen. Om man har råd kan man göra det med en helikopter eller ett flygplan. Ett annat alternativ är att klättra upp och sätta sitt mätinstrument i kanten på kratern, säger Bo Galle.

Många av vulkanerna ligger oländigt till, med följden att väldigt lite data från dem har samlats in. Det är helt enkelt för ansträngande och riskfyllt att nå kratern.

Bo Galle. Foto: Bo Galle

Drönare är en lösning för att kunna utföra mätningar exakt där man vill, men den extrema miljön vid vulkaner innebär en utmaning.

Tillsammans med drönarföretaget Sky Eye Innovations har Chalmers utvecklat en hexacopter som har kapacitet att bära deras mätutrustning till plymen. För att göra flygtester på upp till två kilometers höjd har teamet varit på rymdbasen Esrange i Kiruna och har lånat luftrummet vid militärflygplatsen i Karlsborg.

”På gränsen till vad drönare klarar av i dag”

Bo Galle understryker att hans team främst har arbetat med att förfina tekniken i mätinstrumenten och drönaren, framför allt för att få ned storlek och vikt. För drönaren handlar det om att hitta den rätta avvägningen mellan motorstyrka och batterier.

– Det som är svårt är att få ett mätinstrument som mäter kvoten koldioxid/svaveldioxid in situ med ett litet instrument ombord på drönaren. Vi har såklart försökt banta instrumenten så mycket som möjligt men vi landade på ungefär ett kilo. Då ska drönaren kunna ta det till två kilometers höjdskillnad från där vi startade upp till kratern, med ett linjärt eller horisontellt avstånd på kanske 5-6 kilometer, hitta plymen, mäta gasen i den och sedan komma hem igen innan batteriet är slut. Det här har visat sig vara på gränsen för vad de kommersiella drönarna klarar av i dag, säger han.

Och det har visat sig att teamets lösning är väl genomtänkt. Ett projekt under ledning av University College London samlade tio forskargrupper inom området från främst Europa och USA till en mätkampanj. I maj 2019 skickades de till vulkanen Manam som ligger på en ö 13 kilometer utanför Papua Nya Guineas kust.

Den har stora gasemissioner och är 1 800 meter hög. Där skulle teamen genomföra de första mätningarna på Manam och samtidigt demonstrera sina olika drönarkoncept.

– Under en knapp vecka vid vulkanen gjordes det 23 lyckade flygningar till plymen, varav Chalmers stod för 21 av dem. De andra två genomfördes av en brittisk grupp som använde en drönare av flygplanstyp, "fixed wing", säger han.

Vulkanen Manam. Foto: ABOVE

Britterna lyckades flyga den två gånger genom plymen, men det kostade dem två drönare. En försvann i kratern och en kraschade.

– Så på något sätt gick det nästan pinsamt bra för oss. De övriga drönarna nådde helt enkelt aldrig plymen för det var ett alltför stort avstånd. Så vi gjorde våra mätningar och under de sista två dagarna erbjöd vi vår drönare, som för övrigt döptes till "Munin", till de andra. Så vi hade så att säga en shuttle-tjänst till kratern där de fick sätta på sina egna instrument och göra mätningar. Det var ju ett bra betyg för oss, säger Bo Galle.

Galle: ”Tack vare drönarpilotens skicklighet”

Resultaten har publicerats i en artikel i Science Advances. Att hitta plymen som ständigt rör på sig utan visuell kontakt innebär att man måste leta efter den tills svaveldioxidnivån avslöjar att hexacoptern ligger rätt. Svenskarna hade med sig professionella drönarpiloten Gustav Gerdes som hade avgörande del i framgångarna.

– Det var till stor del tack vare hans skicklighet som vi lyckades så bra som vi gjorde. Han skickade ut drönaren att snurra i en halvtimme och landade med kanske en minuts batteritid kvar – det är ganska kaxigt, säger Bo Galle.

Läs mer: Forskare har hittat nya tecken på vatten på Mars

Professorn tror att teamets teknik även skulle kunna användas för att avslöja fartyg som inte följer EU:s strikta regler om svavelhalten i bränslet.

Instrumenten som mäter vulkangasen

Ombord på drönaren finns ett instrument som mäter kvoten av svaveldioxid och koldioxid, två gaser som berättar om vulkanens rådande status. Kolet som avges kan även komma från det omgivande berget, men genom att mäta isotopsammansättningen på kolet i koldioxiden går det tala om var det härrör från. För ändamålet har ett drönarburet samplingssystem utvecklats som kan ta prover från gasplymen för efterföljande analys på marken.

Ytterligare ett instrumentpaket använder ett optiskt mätinstrument som utnyttjar himlens ljus för att mäta mängden svaveldioxid över instrumentet. Genom att flyga med det under gasplymen så kan forskarna summera ihop mängden svaveldioxid, och sedan multiplicera den med vindhastigheten för att få emissionen i kg/s.

Vindhastighet och riktning går att mäta med den anemometer som sitter på drönaren, men luftdraget från propellrarna kan störa. Ett säkrare alternativ är att man i plymen slår av den gps-låsning som håller drönaren stilla i luften och låter farkosten driva med vinden, detta samtidigt som en annan gps loggar rörelsen.

John Edgren

Mer om: Drönare Chalmers

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt