Drohnen im Bevölkerungsschutz

Drohnen, allgemein auch als UAV (unmanned aerial vehicle in der militärischen Verwendung) bzw. UAS (unmanned arial system in der zivilen Verwendung) bezeichnet, haben sich in den letzten Jahren stark etabliert. Die Drohnen namhafter nationaler und internationaler Hersteller wurden bereits in wesentliche Anwendungsfälle integriert und werden zunehmend im Bevölkerungsschutz eingesetzt. So nutzen Institutionen wie das Bayerische Rote Kreuz und der Bezirksfeuerwehrverband Kufstein in Österreich Drohnen seit 2010 bzw. 2017 sehr erfolgreich. Dieser Bericht informiert über die wesentlichen Erfahrungen sowie über Forschungstätigkeiten in Kooperation mit der Fachhochschule Kufstein Tirol.

Ein Blick zurück zeichnet schon früh eine erfolgreiche Integration von Drohnen in BOS-Einsätze. In den 1970er Jahren, nach den dramatischen Waldbränden in Deutschland, wurden Flugzeuge zusätzlich mit BOS-Funkgeräten und einer Einsatzkraft besetzt und zur Luftaufklärung genutzt. Dieses Verfahren wird heute noch in Bayern für Waldbrandüberwachungsflüge durch die Luftrettungs-Staffeln in den Sommermonaten eingesetzt. International wurden bereits im Jahr 2008 in Kalifornien die Feuerwehren bei Buschfeuern durch Drohnen der NASA unterstützt.

Bei der Europäischen Großübung Taranis2013 in Österreich/Salzburg wurden bei den Szenarien die Einsatzkräfte durch Drohnenteams unterstützt, die für die Einsatz- und Übungsleitung Luftaufnahmen fertigten, die direkt in die Stabsräume übertragen wurden.

Im Jahr 2014 definierte man in den USA fünf Testumgebungen für die Erprobung von Drohnen im Kontext mit BOS Einheiten. Diese wurden von der FAA (Federal Aviation Administration) freigegeben. Zusätzlich hat man Konzepte und Szenarien definiert, um Drohnen bei Einsätzen der Feuerwehr in den USA zu inte­grieren. Ein erster erfolgreicher Einsatz im Jahr 2017 durch die New Yorker Feuerwehr wurde berichtet, wo eine Drohne zur Unterstützung der taktischen Koordination eingesetzt wurde.

Im Jahr 2015 wurden durch die European Emergency Number Association (EENA) in einer Arbeitsgruppe die grundsätzlichen Rahmenbedingungen und Vorgehen zur Integration von Drohnen in den Bevölkerungsschutz festgehalten. Dies mündete 2018 in eine “Drone Efficacy Study” (DES), die unterschiedliche Drohnen für den Search and Rescue (SAR) Einsatz evaluierten. Eine Studie im Jahr 2019 zeigte die vielen Vorteile des Einsatzes von Drohnen zum Bevölkerungsschutz und die Akzeptanz in der Bevölkerung.

Einsatzindikation der Drohnen im Bevölkerungsschutz bei den Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS)

Erst seit rund zehn Jahren werden Drohnen regelmäßig und erfolgreich in der Gefahrenabwehr eingesetzt. Wurden die neuartigen Fluggeräte zunächst von den Fachleuten ein wenig belächelt, zählen Sie heute fast schon zu den Standardeinsatzmitteln, wie ein Notfallkoffer oder die Wärmebildkamera im Atemschutzeinsatz. Die Einsatzindikationen sind vielfältig und abhängig von der Einheit und den örtlichen Gegebenheiten. Die häufigste Einsatzindikation ist die Erstellung des Lagebildes aus der Luft. Dies gibt der Einsatzleitung einen schnellen Überblick über das Einsatzgebiet, zum Beispiel in Hochwasserlagen. Welche Schäden gibt es an der Infrastruktur wie Straßen, Schienen oder Gebäuden, wie weit dehnt sich das Schadensgebiet aus und wo ist am schnellsten Hilfe vonnöten? Die erstellten Aufnahmen können anschließend bei Bedarf mit verschieden Computeranwendungen aufbereitet werden.

Musste man sich in der Vergangenheit bei Vermisstensuche auf das Abfahren des Suchgebietes mit Einsatzfahrzeugen und den Einsatz von Rettungshundestaffeln beschränken, unterstützen heute Drohnen sehr effektiv. Eine freie Fläche ist aus der Luft viel schneller zu erkunden als durch den Einsatz der Rettungshunde. Die Hundestaffeln können dann konzentriert in schwer einsehbaren Waldgebieten eingesetzt werden. Als zielführend hat sich auch die Suche über Gewässern erwiesen, da der Blick von oben ein deutlich breiteres Spektrum abdeckt als aus einem Boot heraus. Die Bergwachten des Roten Kreuzes gehörten zu den ersten BOS-Einheiten, die frühzeitig Drohnen einsetzten. Sie entwickelten die Geräte und Verfahren stetig bis zu einem hohen Standard weiter. Ergänzend zu den genannten Anwendungen werden auch Lawinenbesichtigung und -absuche sowie weitere Szenarien im unwegsamen Gelände durch Drohnen sehr gut bewältigt. Zudem wurden spezielle Einsatzleitfahrzeuge mit entsprechender Hard- und Software entwickelt, um die gewonnenen Daten aufzubereiten.

Neben den Hilfsorganisationen nutzen die Feuerwehren und die Polizei Drohnen. Bei größeren Gebäude- und Waldbränden werden sie zur Begutachtung der Schäden, Ausmaß, Glutnestersuche oder zur Vermisstensuche genutzt. Für diese Indikationen dürfen nur sehr erfahrene Piloten eingesetzt werden, da verschiedenste Gefahren wie Thermik, große Entfernung, Rauch oder Wettereinflüsse das Fluggerät in der Wirkungsweise stark einschränken können, was ein Sicherheitsrisiko für Einsatzkräfte und Betroffene bedeuten kann. Sehr früh wurde der hohe Mehrwert bei Gefahrgutunfällen erkannt wie beispielsweise die Lageerkundung und das Erfassen der Ausbreitungsrichtung. Die polizeilichen Behörden setzen bei den verschiedensten Einsätzen mit unterschiedlichen Zielsetzungen unbemannte Fluggeräte ein. Hierunter fallen Luftaufnahmen zur Unfalldokumentation, Lagebewertung, Verkehrsüberwachung und viele weitere Anwendungen. Auch die Spezialeinheiten bei Bund und Ländern setzen Drohnen ein.

Über alle bereits genannten Nutzer hinweg werden Drohnen für Transportaufgaben, Kontrolle von Deichen auf deren Standfestigkeit sowie zur Minensuche in ehemaligen Kriegsgebieten eingesetzt. Dokumentation, Begleitung von Übungen, Evaluationsmaßnahmen sowie Sondermissionen sind weitere der fast unendlichen Einsatzindikationen. Wie häufig bei innovativen Produkten hat das Militär auch hier die Entwicklung der Drohnentechnologie maßgeblich beschleunigt.

Durch die fast täglich steigende Zahl an Drohneneinsätzen wächst die Gefahr von Unfällen. Eine Drohne hat das Potential, bei unsachgemäßem Umgang einen Hubschrauber oder andere Luftfahrzeuge zum Absturz zu bringen. Daher muss die Sicherheit immer an erster Stelle aller Überlegungen stehen und bei der Einsatzentscheidung zwingend beachtet werden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der einheitlichen Ausbildung und einem abgestimmten Vorgehen aller an einem Einsatz Beteiligten. Neben der sorgfältigen Flugvorbereitung sind an der Einsatzstelle verantwortliche Personen wie Flugleiter und Fachberater zu benennen, die den sicheren Flugbetrieb gewährleisten.

Einsatz von Drohnen zur Gefahrengut­detektion

Die Autoren J. Burgues und S. Marco haben in ihrem Artikel 2020 die wesentlichen Ansätze zur Detektion von Chemikalien durch Drohnen aufgearbeitet (Abb. 1). Neben einigen auf Starrflüglern basierenden Ansätzen sind die meisten Versuche mit Multirotor­ansätzen durchgeführt worden. Hier konzentriert sich die Forschung vorwiegend auf die Integration der Sensoren auf die Drohnenplattform und auf die Verbindung mit anderen Anwendungsfällen. Es wurden zum Beispiel Ansätze im Bereich der Luftverschmutzung von Industriebetrieben durch einen OP-TDL Sensor umgesetzt oder die Detektion von Gas-Lecks (z.B.: Methan (CH4)) durch sTDLAS Detektoren. Neben diesen industrienahen Anwendungsfällen kommen Drohnen im Feuerwehrbereich (Detektion von Rauch bei unkontrolliertem Feuer) und Katastrophenbereich zum Einsatz. Die Autoren J. Burgues, V. Hernandez, A. J. Lilienthal,
S. Marco konnten erfolgreich einen Prototyp einer Nanodrohne für die Detektion von Indoor-Gas-Quellen demonstrieren.

Neben der breiten Aufarbeitung unterschiedlicher Sensor- und Drohnenarten und deren Anwendungsfällen wurde auch die Herausforderungen des „Downwashes“ (Luftverwirbelung nach unten durch Rotorbewegung) sehr ausführlich thematisiert und unterschiedliche Messungen und Erkenntnisse vorgestellt. Zudem wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Sensorarten (z.B.: Infrarot Sensor, LIDAR, usw.) aufgezeigt. In diesem Kontext wurden bereits einige EU-Projekte sowie internationale Projekte durchgeführt, wie das FLAIR- (https://cordis.europa.eu/project/id/732968) oder SNIFFDRONE- (https://attract-eu.com/showroom/student-projects/project-sniffdrone/) Projekt.

Schulungen im Drohnenumfeld

BOS Drohnen-Pilotenlehrgang in Österreich: Da die Sicherheit in der Luft und am Boden zwischen bemannten und unbemannten Luftfahrzeugen oberste Priorität beim Einsatz von Drohnen haben muss, fanden erstmals drei Pilotlehrgänge von mehreren BOS Einheiten in Österreich zum Thema „Drohnen im BOS Einsatz“ statt. Diese vom Österreichischen Bundesfeuerwehrverband initiierten Pilotlehrgänge sind der Grundstein zum Aufbau einer einheitlichen Ausbildung für Drohnenpiloten. Die Teilnehmer von Rotem Kreuz, Bergrettung, Arbeiter-Samariterbund, Wasserrettung und Feuerwehr beschäftigten sich zwei Tage lang mit Meteorologie, Luftfahrtrecht und zahlreichen Praxisbeispielen. Ein ausführlicher Bericht ist unter feuerwehr.at oder www.bundes­feuerwehrverband.at/service/bos-drohnen/ zu finden.

Deutschland: In Deutschland ist in den „Empfehlungen für Gemeinsame Regelungen zum Einsatz von Drohnen im Bevölkerungsschutz“ des Bundesamtes für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) ein Muster-Ausbildungskonzept zum Betrieb von Drohnen im Bevölkerungsschutz veröffentlicht. Dieses ist inhaltlich mit allen BOS abgestimmt und ergänzt die in der aktuellen EU-Drohnenverordnung geforderten Nachweise für Fernpiloten.

Nationale und internationale Forschungs­aktivitäten

Durch die nationale und internationale Forschung und den wissenschaftlichen Austausch ist es gelungen, in einer relativen kurzen Zeit unbemannte Fluggeräte so zu entwickeln, dass diese effektiv in der Gefahrenabwehr eingesetzt werden können. Das Bayerische Rote Kreuz (BRK) engagiert sich seit vielen Jahren bei Projekten, um die Sicht der Anwender bei den Entwicklungen mit einzubringen. Aktuelle Projekte sind MEDinTIME, wo Medikamente über weite Strecken, außerhalb der Sicht von Klinik zu Bedarfsträger mit Drohnen transportiert werden. LARUS-PRO ist ein weiteres Projekt, in dem es um die Evaluierung der Einsetzbarkeit von Drohnen bei Rettungsorganisationen geht. Darüber hinaus gibt es weitere nationale und internationale Projekte mit BRK Beteiligung, um die Praxistauglichkeit der zukünftigen Verfahren und Lösungen aus der Sicht des Nutzers zu bewerten.

Forschungsaktivitäten an der FH Kufstein Tirol

Die FH Kufstein Tirol befasst sich begleitet von mehreren Studiengängen (Data Science & Intelligent Analytics und Smart Products & Solutions) seit 2017 mit Drohnen. Im Rahmen eines Tiroler Leuchtturmprojekts (WA-541-01-00013/01-0011) wurde eine mobile Infrastruktur angeschafft und ein Systemkonzept in Kooperation mit dem DLR GfR, TU Graz und der Swarco AG für automatisierte Drohnenflüge aufgebaut. Die Infrastruktur beinhaltet sowohl stationäre Komponenten (z.B.: FLARM, ADS-B, usw. auf dem Dach der FH Kufstein Tirol) als auch mobile Komponenten (z.B.: Drohnen Detektionssystem der Firma DeDrone, GNSS Messsysteme, usw.). Im Rahmen des Projektes wurde die Infrastruktur anhand eines Verkehrsmonitoring-Anwendungsfalls durch Drohnen ­evaluiert (Abb. 2). Zudem wurde im begleitenden Interreg Projekt DataKMU ein neues, leichtgewichtiges, räumliches Datenmodell für Flugpfade von Drohnen entwickelt und vorgestellt. Dadurch können sowohl vordefinierte als auch Ad-hoc Pfade bzw. Areale (z.B.: Flugverbotszonen) modelliert werden. Das Modell wurde erfolgreich in eine Echtzeit-Datenpipeline für die Verarbeitung von Sensorinformationen und Bewegungsdaten von Drohnen integriert (Abb. 3). Dieses System wurde im Dezember 2020 mit dem 3. Platz des FFG Galileo Masters 2020 Preises ausgezeichnet.

Ausblick

Mittelfristig erweitern Drohnen die Rettungskette als wichtiges neues Glied. Durch ihren sinnvollen Einsatz können Notfallorte schneller erkannt werden, Rettungskräfte ohne Umwege zum Patienten gelangen und die medizinische Versorgung kann frühzeitig beginnen, was zu einem besseren Ergebnis führt, da das therapiefreie Intervall verkürzt wird. Auch der Patiententransport mit Drohnen wird heute schon konkret diskutiert. Durch die ständige Verbesserung der Technik und Leistungsfähigkeit ist dies keine Science-Fiction Idee mehr, sondern bald Wirklichkeit. Ebenso werden Drohnensysteme auf verschiedene Gebiete verteilt ­stationiert. Diese werden nach dem Alarmeingang durch eine Leitstelle bei entsprechender Indikation autonom gestartet und fliegen zum Notfallort, um schon erste Eindrücke der Lage an die Einsatzkräfte zu übermitteln. Speziell das Thema der Autonomie von Drohnenschwärmen wird in Zukunft wesentliche Möglichkeiten mit sich bringen. Diesbezüglich steckt die EU Regulierung „U-Space“ (https://www.sesarju.eu/U-space ) gerade in der Ausarbeitung und es ist zu erwarten, dass in den kommenden 3-5 Jahren erste Drohnenmanagement-Systeme für automatisiert agierende Drohnen(-schwärme) in der zivilen Anwendung etabliert werden. In naher Zukunft sind Drohnen nicht mehr aus der Gefahrenabwehr wegzudenken, sondern ergänzen effektiv das bestehende System