Fliegendes Spektrometer

Vulkanische Emissionen per Drohne analysieren

Ocean Optics ist Sponsor eines Vulkanologenteams, das Vulkane in den Anden Südamerikas untersucht. Das Unternehmen stellt dabei die Miniatur-Spektrometer der Reihe Flame und das Zubehör zur Verfügung.

Das „Trail by Fire“-Team (von links): Dr. Philipson Bani, Dr. Ian Schipper, Aaron Curtis, Dr. Talfan Barnie, Dr. Nial Peters und Dr. Yves Moussallam.

Das Projekt „Trail by Fire“ („Pfad aus Feuer“), das durch Fördermittel von Land Rover und der Royal Geographical Society finanziert wird, soll die Gesamtmenge instabiler chemischer Elemente, die durch Vulkane in Chile und Peru abgegeben werden, quantifizieren. Die Flame Spektrometer von Ocean Optics werden mithilfe von Drohnen direkt unter die Eruptionssäulen geflogen und führen Messungen der differentiellen optischen Absorptionsspektroskopie (DOAS) durch, um die Werte für Schwefeldioxid zu ermitteln. Ziel ist es, damit die vulkanischen Effekte auf das Klima besser zu verstehen.

Die Flame-Spektrometer werden Teil des weltweit ersten mobilen Vulkanobservatoriums sein: Ein speziell zu diesem Zweck ausgerüsteter Land Rover Defender 110, mit dem einige der abgelegensten und am schwersten zu untersuchenden Vulkane der Welt erreicht werden können. Angesichts des schwer befahrbaren Terrains und der zu bewältigenden großen Höhen entschied sich das Team für TurboAce Matrix Drohnen, die die Spektrometer von Ocean Optics zu den Eruptionssäulen befördern werden, so dass die Messungen dort durchgeführt werden können.

Dank der Drohnen können die Forscher so näher an die Eruptionssäulen gelangen und einen vollständigen Messquerschnitt erfassen. Dieses Verfahren liefert genauere Messwerte als Messungen vom Boden aus, die gewöhnlich in der DOAS eingesetzt werden. Die kompakte Größe und das geringe Gewicht (265 g) der Flame-Spektrometer waren Schlüsselfaktoren bei der Auswahl, da die Nutzlast – stets ein wichtiger Faktor bei Drohnen – in großer Höhe besonders wichtig ist.

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Vor allem bietet die Flame-Reihe aber, trotz der kompakten Größe der Spektrometer, die für Messungen in der DOAS erforderliche hohe Auflösung und thermische Stabilität, so dass das Team sehr niedrige Fluktuationen beim SO2-Gehalt messen kann. Die Spektrometer werden durch den eingebauten Mikroprozessor der Drohne und in Zusammenarbeit mit den Open-Source-Treibern von Ocean Optics (SeaBreeze) gesteuert.

Die durch Flame-Spektrometer erfassten Spektren werden in einem eingebauten Speicher der Drohne gespeichert und per Funk an die Bodenstation gesendet. Dieses Echtzeit-Feedback ermöglicht es dem Team, den Betrieb zu prüfen und die Messungen während des Drohnenflugs anzupassen. Die modulare Konstruktion des Spektrometers – dank austauschbarer Spalte können Auflösung und Durchfluss angepasst werden – ermöglicht es dem Team, schnell und einfach auf veränderte Bedingungen im Feldeinsatz zu reagieren.

„Das ist eine wirklich tolle Anwendung für unsere Miniatur-Spektrometer der nächsten Generation“, erklärt Henry Langston, Produktmanager von Ocean Optics. „Wir freuen uns sehr, wenn wir die Gelegenheit haben, mit unseren Nutzern zusammenzuarbeiten, und ihnen dabei helfen können, unsere Forschung in ganz neue Sphären zu tragen. Wir haben genau aus diesem Grund ein eigenes Team aus Anwendungsingenieuren, das mit Kunden zusammenarbeitet, um knifflige Messprobleme zu lösen. Es war wirklich spannend, zu erleben, wie sich das „Trail by Fire“-Projekt entwickelt hat.“

Die „Trail by Fire“-Expedition wird durch Fördermittel i. H. v. 30000 GBP von Land Rover sowie zusätzlich einen gespendeten Defender 110 unterstützt. Das Projekt wird zudem durch weitere Partner unterstützt, die die Ausrüstung für das Projekt gespendet haben, darunter Crowcon Detection Instruments, ein Schwesternunternehmen von Ocean Optics. Die tragbaren Gasdetektoren von Crowcon warnen das Team vor potenziellen Gefahren, beispielsweise während Messungen für die Werte toxischer vulkanischer Gase durchgeführt werden.

Die Spektrometer von Ocean Optics haben sich im Einsatz bei Hitze und Flammen bewährt. So wurden sie beispielsweise bei der Untersuchung von Feuerwerkskörpern, Mündungsfeuern aus Gewehren, Raketenabgasfahnen und Anwendungen mit flammenspektroskopischen Messungen für Metalle und andere Materialien eingesetzt.

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