Laserbasierte Gasanalyse zur Eruptionsprognose

Zur verbesserten Gefahrenanalyse von Vulkanen entwickelten Forschende der Technischen Universität München (TUM) ein neuartiges Messsystem. Das Prinzip basiert auf lasergestützter Absorptionsspektroskopie. Laserstrahlen durchqueren die Gaswolke und reflektieren an Flugrobotern. Ein Algorithmus berechnet aus den Rücksignalen eine räumliche Verteilungskarte der Gaskonzentrationen. Diese Verteilung liefert essenzielle Indikatoren für bevorstehende Eruptionen.

Limitierungen herkömmlicher Bodensensorik

Die Aktivität eines Vulkans korreliert direkt mit der Menge der emittierten Gase. Steigendes Magma setzt verstärkt Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen frei. Speziell das Konzentrationsverhältnis von Kohlendioxid zu Schwefeldioxid signalisiert magmatische Prozesse im Erdinneren. Bisherige terrestrische Messungen litten jedoch unter Störsignalen. Bodennah emittiertes Gas wird durch biogene Hintergrundsignale von Pflanzen und Bodenmikrobiologie verfälscht.

Autonome Drohnenmessung über Vulkanfeldern

Flugroboter minimieren diese Hintergrundsignale durch Messungen oberhalb der Emissionsquellen. „Das ist präziser und sicherer“, sagt Prof. Achim Lilienthal. Im DFG-Forschungsprojekt „Messtechnik auf fliegenden Plattformen“ entstand dieses hochpräzise System. Der Forscher Marius Schaab testete es autonom auf der Vulkaninsel Vulcano. Ein bodengestützter Laser trackt autonom einen Reflektor auf einer Drohne. Beim Durchqueren der Gaswolke absorbiert das Zielgas, hier Kohlendioxid, spezifische Wellenlängen des Laserlichts.

Algorithmische Tomographie und Windsensitivität

Die Drohne fliegt in bis zu 60 Metern Entfernung eine programmierte Route ab. Während des 15-minütigen Fluges erfolgen bis zu 3.000 Einzelmessungen. Ein Tomographie-Algorithmus interpoliert diese Daten unter Berücksichtigung lokaler Winddaten zu einer Gaskonzentrationskarte. Windkanaltests bestätigten eine hohe Messgenauigkeit mit lediglich fünf Prozent Abweichung. „Unser Ziel ist, das Messen und Kartieren zu automatisieren und einer künstlichen Intelligenz die Interpretation der Daten zu übergeben“, sagt Lilienthal, der seit vielen Jahren am Riechsinn von Robotern forscht und nun zum ersten Mal ein autonomes Detektionssystem mit Drohnen im Einsatz hat, um Vulkanfelder zu beobachten.

In-situ-Messverfahren mittels On-Board-Analytik

Einen alternativen analytischen Ansatz verfolgt Prof. Thorsten Hoffmann von der Universität Mainz. Sein Team nutzt Drohnen mit direkter On-Board-Sensorik. Die quantitative Bestimmung erfolgt über photometrische Messzellen oder elektrochemische Sensoren mittels Redoxreaktionen an Elektrodenoberflächen. „Besonders wichtig sind uns die Gase Kohlendioxid und Schwefeldioxid, denn deren Verhältnis gibt uns Aufschluss darüber, was unter der Erde passiert. Die Löslichkeit dieser Gase im Magma hängt unter anderem vom Druck ab und verändert sich daher mit der Tiefe, sodass das austretende Gasgemisch Hinweise auf die Prozesse im Vulkansystem liefert“, sagt der Chemiker. „Wir fliegen direkt in die Vulkanfahne hinein und können so die Konzentration entlang der abgeflogenen Wege bestimmen.“

Geochemische Indikatoren der Eruptionsdynamik

Vulkanische Gase bilden neben Seismik und Thermometrie eine tragende Säule der Risikoanalyse. Untersuchungen am Ätna und den Phlegräischen Feldern belegen ortsspezifische Gasspektren. Unmittelbar vor Eruptionen verschieben sich die Stoffmengenanteile in den Fumarolen und Vulkanfahnen signifikant. Die Vulkanologin Nicole Bobrowski von der Uni Heidelberg erläutert: „Dann steigt zum Beispiel das Verhältnis von Kohlendioxid zu Schwefeldioxid erst stark an und fällt dann noch vor dem Beginn des Ausbruchs wieder ab“.

Quelle

Technische Universität München (07/2026)