Feinstaubmessung mit Drohnen

Ob ältere Dieselmotoren, Reifenabrieb oder aufgewirbelter Dreck, Innenstädte mit hohem Verkehrsaufkommen sind von Feinstaub stark belastet. Es arbeiten bereits Wissenschaft, Kommunen, Einwohner und Unternehmen daran die Lebens- und Aufenthaltsqualitäten in Innenstädten zu verbessern. Wie dies mit Sensoren an Drohnen gelingt, erklären wir in diesem Artikel.

Feinstaub. Ursachen und Folgen.

Durch Dieselabgase, Abriebprozesse an Fahrzeugreifen und -bremsen, aber auch Aufwirbelungen von Staubschichten kommt es zu einer hohen Feinstaubbelastung, der die Luftqualität maßgeblich senkt. Als Feinstaub werden dabei Partikel weniger Mikrometer Durchmesser bezeichnet, die von jedem eingeatmet werden und von Reizungen der Atemwege bis hin zu Krankheiten führen kann. Auch im Bremsen- und Reifenabrieb enthaltene Schwermetalle führen zu einem Gesundheitsrisiko, weshalb Wissenschaft, Kommunen, Einwohner und Unternehmen daran gelegen ist, von Feinstaub stark belastete Regionen festzustellen und durch geeignete Maßnahmen, wie Einrichten von Umweltzonen, dem Bau von Umgehungsstraßen oder verbesserter Technologien für eine höhere Lebens- und Aufenthaltsqualität in den belasteten Regionen zu sorgen.

Monitoring. Der richtige Weg Feinstaub zu detektieren.

Um aber erst einmal Feinstaubbelastungen detektieren zu können, bedarf es einem Monitoring. Das Monitoring von Feinstaub ist nur mit speziellen Feinstaubsensoren möglich. Diese Sensoren zählen Partikel in der Luft. Ob Bodengebunden oder mit Drohnen in der Luft gemessen, die Funktionalitäten der Sensoren sind ähnlich. Zuerst wird die Luft angesaugt und dann mit einem optischem Sensor gezählt. Der ermittelte Wert mit Koordinate und Zeit in Listen gespeichert, die dann sekündlich ausgewertet werden können. Die Messergebnisse, fest verbauter Sensoren können sogar live verfolgt werden: https://luquas.de/luquasapp/#/map.

Beim Zählen der Partikel wird in der Größe der Partikel unterschieden. Man spricht von PM-Fraktionen. PM₁₀ beispielsweise gibt die Anzahl an Partikeln mit einem Durchmesser von 10 µm an. Diese entstehen vor allem durch Aufwirbelung von Staub und bei Abriebprozessen bei Reifen und Bremsen oder bei Hausbränden und industriellen Prozessen. Kleinere PM-Fraktionen, wie PM₁, PM_2,5 sind vorwiegend den Abgasen von Fahrzeugen zuzuordnen. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) gibt an, dass jährlich in Deutschland über 100.000 t dieser Partikel entstehen. Im Schnitt entsteht 0,1g mit jedem im Auto zurückgelegten Kilometer.

Für eine signifikante Verringerung der Feinstaubbelastung müssen daher bei allen Verursachern die Emissionen verringert werden, entsprechende Vorgaben werden durch durch das Umweltbundesamt gemacht. Um die Verursacher zu detektieren benötigt es auch spezielle Sensorik, die kleinste Partikel detektieren können.

Abbildung 1: Diagramm aus Beispielmessung

Woher Sensoren bekommen?

Die Universität in Stuttgart unterstützt beispielsweise das OK Lab Stuttgart, welches sich mit dem Projekt luftdaten.info zum Ziel macht Anwendungen zu entwickeln, die die Gesellschaft informieren, positiv gestalten und Verwaltungen und Behörden unterstützt, deren Arbeit transparenter zu machen. So hat jeder die Möglichkeit einen sehr einfach gehaltenen Feinstaubsensor zu bauen und Teil des Netzwerkes zu werden.

Anwender, denen normierte Messungen und die Detektion von Kleinstpartikeln wichtig sind, müssen auf professionelles Equipment zurückgreifen. So ist der mit dem Partner Palas entwickelte Sensor Fidas Fly 200 eine Messeinrichtung, die kontinuierlich und gleichzeitig verschiedene Fraktionen misst. Genau genommen:

• die PM-Fraktionen PM₁, PM_2,5, PM₄, PM₁₀, PM_total

• alveolengängigen, thorakalen und einatembaren Massefraktionen nach DIN EN 481

• Partikelanzahlkonzentration sowie die Partikelgrößenverteilung in 32 Größenklassen pro Dekade im Partikelgrößenbereich von 180 nm bis 18 µm oder 400 nm bis 40 µm erfasst.

Basierend auf dem zertifizierten Palas Fidas Feinstaubsensor kombiniert das Modul hochwertige Messtechnik mit Data-Logger und Live-Übertragung. Das besondere an diesem Echtzeit-Staubmonitor ist das geringe Gewicht und geringe Größe, weshalb er auch Drohnen eingesetzt werden kann. Der Sensor ist fernsteuerbar und die Messdaten können als Live-Video auf einem Monitor dargestellt werden.

Drohnen machen Messungen in der Luft möglich

Besonders das Messen in der Nähe zu Industrieanlagen mit hohen Schornsteinen gestaltete sich bisher schwierig. Der Fidas Fly 200 ist jedoch für den Einsatz in der Luft optimiert. Aufgesteckt auf die Drohne HORUS 120 ist er in unter einer Minute einsatzbereit. Dabei erlaubt es das Container-System den Fidas Fly 200 vertikal oder horizontal zu befestigen, je nachdem ob der Schnorchel (Aerosolansaugrohr) nach vorne oder nach oben herausragen soll.

Für Messungen, die die Flugzeit des HORUS 120 übersteigen besteht zudem die Möglichkeit den HORUS 120 kabelgebunden einzusetzen. Hierfür wird zum Container-System HORUS die Plug & Play-Sonderlösung HORUS-Powerline angeboten.

Abbildung 2: HORUS 120 mit Fidas Fly 200 im Flug