Waldbrände breiten sich meist rasend schnell und unkontrolliert aus. Entsprechend wichtig ist es, die Brände so früh wie möglich zu entdecken. Forscher haben jetzt einen neuen radiometrischen Sensor entwickelt, der die Ausbruchsstellen selbst bei eingeschränkter Sicht, beispielsweise durch Rauch oder Blattwerk hindurch, ausmachen kann.
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Die Anzahl und das Ausmaß von Waldbränden hat in den vergangenen Jahrzehnten drastisch zugenommen. Unvergessen sind Fernsehbilder von Flammeninfernos, die im Sommer in Russland,
Australien und Kalifornien kilometerweit Flächen verwüsteten. Auch in Deutschland sind viele Regionen aufgrund des Klimawandels betroffen – Brandenburg etwa gehört zu den stark gefährdeten Gebieten in Europa. Oftmals lassen sich die Feuer nur aus der Luft eindämmen.
Infrarotkameras durch Rauch wirkungslos
Um Brandherde gezielt bekämpfen zu können, müssen Löschflugzeuge präzise eingewiesen werden. Ein erprobtes Hilfsmittel hierfür sind Infrarot-Kameras (IR), da Feuer im Infrarotbereich am intensivsten strahlt. Die IR-Kameras messen die Wärmestrahlung und können so Brandherde lokalisieren. Zudem liefern sie hochaufgelöste Bilder. Allerdings können diese Bildaufnehmer bei starker Rauchentwicklung die Ausbruchsstellen nicht finden, da Infrarotstrahlen durch Partikel von Staub und Rauch zu stark gedämpft werden.
Eine Lösung des Problems haben die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg entwickelt: ein ein Radiometer, das Brände auch bei eingeschränkter Sicht überwachen kann: Der radiometrische Sensor arbeitet im Mikrowellenbereich zwischen 8 und 40 GigaHertz. Bei diesen niedrigen Frequenzen fällt die Streuung der Strahlen an Staubpartikeln deutlich geringer aus als bei den hohen IR- Frequenzen.
Radiometer macht Rauch quasi transparent
„Bei unseren Testmessungen bei 22 GHz war die Dämpfung zu vernachlässigen. Partikel aus Staub und Rauch sind im Mikrowellenbereich quasi transparent“, erklärt Nora von Wahl, Wissenschaftlerin am FHR. „Dennoch ist die Strahlungsleistung ausreichend hoch, um Brandnester zu erkennen. Aus einer Höhe von 100 Metern konnten wir bei eingeschränkten Sichtverhältnissen ein Feuer mit einer Fläche von fünf mal fünf Metern detektieren.“
Für die Testflüge montierten die Forscherin und ihr Team den Mikrowellensensor an der Unterseite eines unbemannten Luftschiffs der FernUniversität Hagen. „Bestandteil des Radiometers sind neben der Sensorik eine Kalibrierungseinheit, eine planare Gruppenantenne und Software, um Daten aufzuzeichnen und zu visualisieren“, sagt die Expertin. Die Auflösung des Systems wird durch den Öffnungswinkel der Antenne bestimmt und hängt somit von Antennengröße, Frequenz und Entfernung zum Boden ab. Bei einer Antennengröße von 20 Zentimeter Kantenlänge, einer Frequenz von 22 GHz und in einer Höhe von 30 Metern löste das Radiometer2,6 Meter große quadratische Zellen auf. „Zwar erreichen wir mit dem Radiometer nicht die Detailgenauigkeit von Infrarot-Kameras. Wir vergrößern die Antenne und können dadurch die Auflösung erhöhen“, sagt die Forscherin.
Brandnester selbst durch Blattwerk hindurch
Mit dem radiometrischen Sensor sind die Wissenschaftler sogar in der Lage, Brandnester durch Blattwerk hindurch zu bestimmen. Und: „Nach einem Waldbrand entfachen sich oft neue Feuer unter
der Erde. Um diese zu entdecken, haben Feuerwehrleute den Boden bisher mit Haken per Hand umgegraben. Unser Radiometer kann Ausbruchsstellen unter der obersten Erdschicht erkennen“, erklärt Nora von Wahl. Das System lasse sich hauptsächlich beim Brandschutz mit Löschflugzeugen einsetzen. Denkbar sei auch, mit dem Radiometer Industrieanlagen zu überwachen, etwa um Schwelbrände in Müllverbrennungsanlagen frühzeitig zu orten.
Das 105 mal 150 mal 73 Millimeter große Radiometer liegt als Prototyp vor. Ziel der Wissenschaftler ist es, das Gerät noch kleiner zu konstruieren. Auch die Antenne wollen die Ingenieure optimieren. Künftige Modelle sollen sich zudem durch ihre chipbasierte Bauweise auszeichnen.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 04.01.2011 – NPO)
