Aktion Elektronik hilft 2012 Autonome Multikopter bringen schnelle Hilfe in abgelegene Gebiete

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Im Rahmen ihrer Spendenaktion „Elektronik hilft 2012“ (siehe Kasten unten) für die Opfer der Hungersnot in Ostafrika berichtet die ELEKTRONIKPRAXIS über technologische Projekte, Kooperation und Visionen, die dem schwarzen Kontinent eine bessere Zukunft bescheren sollen. Heute: Wie autonome Robokopter schnelle Hilfe in entlegene Gebiete Afrikas bringen können.

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Robokopter im Einsatz: so lassen sich beispielsweise Medikamente in kürzester Zeit auch in schwer zugängliche Regionen transportieren
Robokopter im Einsatz: so lassen sich beispielsweise Medikamente in kürzester Zeit auch in schwer zugängliche Regionen transportieren

Das US-Unternehmen Matternet will bis 2015 ein Netz von fliegenden Robotern aufbauen, die in abgelegenen Gegenden zum Einsatz kommen sollen. Die unbemannten Elektro-Mikrokopter sollen autonom von einer Basisstation zur anderen fliegen und dabei bis zu zwei Kilogramm Fracht befördern.

Ergänzendes zum Thema
Elektronik hilft 2012 – Spendenaktion für Ostafrika

Die Hungernöte vor allem im Osten von Afrika treffen die Ärmsten der Armen. Mit einer Spendenaktion unter dem Titel "Elektronik hilft" will die ELEKTRONIKPRAXIS wie schon im vergangenen Jahr einen Beitrag zu den Hilfsaktionen leisten.

So können Sie sich als Leser beteiligen: Spenden Sie direkt bei CARE Deutschland-Luxemburg e.V. Bitte als Verwendungszweck "Ostafrika - Elektronikpraxis hilft" angeben bzw. auswählen. Wir werden darüber berichten, was in Summe zusammengekommen ist.

So können Sie sich als Anzeigenkunde beteiligen: Buchen Sie eine Anzeige im Sonderteil "Elektronik hilft" in der Ausgabe 18 (Erscheinungstermin 24. September) zum Sonderpreis bei unseren Mediaberatern unter Tel. +49(0)931 418-2464. Wir spenden den kompletten Umsatz dieser Hilfsaktion an die Aktion Deutschland Hilft.

Unser Team aus Redaktion, Verkauf und Verwaltung bringt seine Arbeitskraft ein, um diesen Sonderteil zu organisieren, zu bewerben und zu produzieren. ELEKTRONIKPRAXIS trägt alle anfallenden Kosten für Druck, Papier und Porto, um jeden Euro Ihrer Anzeigenspende an die Menschen in Ostafrika übergeben zu können.

Gute Straßen sind nicht selbstverständlich

„Die meisten Menschen in westlichen Ländern denken, Straßen seien allgegenwärtig“, erklärt Andreas Raptopoulos, CEO und Mitbegründer von Matternet, Entwickler, Erfinder und Unternehmer. „Eine gute Verkehrsinfrastruktur ist aber vor allem in Entwicklungsländern eine Seltenheit. Mit diesem Problem sind zum Beispiel Hilfswerke konfrontiert, die Medikamente nur mit großem Aufwand in ländliche Gebiete transportieren können.“

Eine gute Verkehrsinfrastruktur ist nicht selbstverständlich

1 Mrd. Menschen auf der Welt haben keinen ganzjährlichen Zugang zu Straßen. Das heißt, ein Siebtel der Erdbevölkerung ist einen Teil des Jahres von allen sozialen und ökonomischen Aktivitäten völlig abgeschottet. Sie haben in dieser Zeit keinen Zugang zu Medikamenten, können nicht einkaufen und auch ihre selbst produzierten Waren nicht verkaufen, sodass sie keine Einnahmen haben, um ihren Lebensunterhalt zu sichern.

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In der Regenzeit sind viele Straßen Afrikas nicht passierbar

In der Sub-Sahara-Region in Afrika etwa sind 85% der Straßen während der Regenzeit unpassierbar, lediglich 12% aller Straßen sind befestigt und die Qualität der Strecken geht sogar weiter zurück – so ist heute die Situation deutlich schlechter als etwa noch von 20 Jahren.

Afrika braucht 50 Jahre, um verkehrstechnisch aufzuholen

Investitionen ins Straßennetz gibt es zwar, aber wenn der Straßenausbau so langsam weitergeht wie derzeit, wird es rund 50 Jahre dauern, bis das Straßennetz in Afrika aufgeholt hat.

Allein in den USA gibt es mehr als 4 Mio. Meilen Straßen

In den entwickelten Regionen der Erde sind sehr gut ausgebaute, sehr komplexe und teure Verkehrsinfrastrukturen vorhanden. So gibt es allein in den USA mehr als 4 Mio. Meilen Straßen.

Der Straßenbau kann die Probleme nicht lösen

Nun geht man im Allgemeinen davon aus, dass in den Entwicklungsländern der Weg zu einer vernünftigen Verkehrsinfrastruktur nur über die gleichen Straßenbaumaßnahmen führen kann, wie in den verkehrstechnisch entwickelten Regionen der Erde. „Und genau das stellen wir infrage“, betont Raptopoulos. „Wir stellen uns dagegen vielmehr die Frage, ob es nicht vielleicht eine Technologie gibt, mit deren Hilfe die betroffene Regionen eine solche Straßenaufbauphase quasi überspringen könnten. Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: 2014 benötigt in einer Entbindungsstation in Maly ein Neugeborenes dringend ein wichtiges Medikament. Heute würde eine entsprechende Anforderung via Mobiltelefon abgesetzt und die Ärzte würden darauf hoffen, dass die Medizin rechtzeitig ankommt. Manchmal kann es wegen der miserablen Straßenverbindungen Stunden, ja bisweilen sogar Tage dauern, bis die Medikamente eintreffen.“

Medikamente könnten in kürzester Zeit vor Ort sein

„Wir sind davon überzeugt, dass es möglich ist, die Medikamente in wenigen Stunden oder sogar binnen weniger Minuten liefern zu können – und zwar mit einem elektrisch betriebenen, autonomen Medizintransporter“, erklärt der Tüftler. Bei diesem Fluggerät handelt es sich um einen elektrisch angetriebenen Multikopter mit etwa 2 kg Zuladung und einer Reichweite von 10 km. Das Besondere ist allerdings, dass dieser Medizinhelikopter zu einer größeren Flotte gehört, die ein ultraflexibles, automatisiertes Logistik-Netzwerk bildet, das eine größere Region überspannt – vielleicht sogar einen ganzen Kontinent. Dieses Netzwerk haben die Erfinder „Matternet“ genannt. „Matternet ist ein Netzwerk zur Beförderung von Gütern, das auf der Idee des Internets basiert“, erläutert Andreas Raptopoulos weiter.

Eine Flotte von UAVs bildet die Basis des Matternet

Die erste wichtige Technologie, die das Matternet ermöglichen soll, sind UAVs (unmanned aerial vehicles) – also unbemannte Fluggeräte. „Wir wollen die vielen großen akademischen Leistungen der Opens Source Community nutzen, um eine Plattform zu schaffen, mit der Punkt-zu-Punkt-Transporte möglich sind – und zwar dezentral und peer-to-peer – wie im Internet eben“, so Andreas Raptopoulos.

Bodenstationen als Paketstationen

Der zweite wichtige Bestandteil dieses Netzwerks sind die automatischen Bodenstationen, die von den UAVs angeflogen werden, um Akkus auszutauschen und Fracht abzuholen oder abzuladen.

Funktionieren kann das nur mit einer leistungsfähigen Software

Der dritte elementare Bestandteil des Netzes ist die zum Betrieb des gesamten Netzwerks notwendige Software. Sie optimiert die Routen, den Verkehrsfluss von UAVs und Gütern durch das System. Darüber hinaus berücksichtigt sie Wetterbedingungen und gewährleistet die Sicherheit des Systems, sodass kein Missbrauch möglich ist.

Flügelarchitekturen sorgen für mehr Auftrieb

Das UAV ist eine hybride Plattform, die auf der Multikopter-Technologie basiert und senkrecht starten und laden kann. Darüber hinaus hat es eine Flügelarchitektur, die den Auftrieb soweit erhöht, dass eine Nutzlast wie bei einem Helikopter möglich ist. Der Multikopter fliegt mit einer Geschwindigkeit von 40 km/h und ist bei Gegenwind von bis zu 30 km/h einsetzbar. Er ist elektrisch gesteuert, kann auch bei Regen fliegen und ist für eine Flughöhe von rund 120 m optimiert. „Er könnte zwar deutlich höher fliegen, aber die 400 Fuß bieten sich aus regulativer Sicht als optimal an“, erläutert der Matternet-CEO. „Wir haben darauf geachtet, dass das Fluggerät sicher ist. So ist beispielsweise ein Fallschirm an Bord, der dafür sorgt, dass das Fluggerät notfalls sicher zu Boden schwebt.“

Akku und Nutzlast werden in der Bodenstation gewechselt

Das Fluggerät transportiert seinen Akku sowie die Nutzlast. Wenn das Fluggerät in einer Bodenstation andockt, werden Nutzlast und Akku automatisch ausgetauscht. Der Nutzlastbehälter hat ein Volumen von 10 l und eignet sich für Lasten bis 2 kg.

Die kritische Stelle des Systems ist die Andockstelle in der Bodenstation, wo Nutzlastkontainer und Akkus getauscht werden. Landen, Austausch von Akku und Nutzlast finden im kugelförmigen Oberteil der Bodenstation statt. Das Fluggerät fliegt dort rein, landet und dockt sicher an. „Die Bodenstation arbeitet wie eine Packstation“, erläutert Raptopoulos. „Jemand kommt zur Bodenstation und steckt sein Paket in den dafür vorgesehenen Paket-Slot. Von dort wird das Paket nach oben transportiert, wo es auf den nächsten Multikopter wartet, der es aufnimmt und zur nächsten Verteilstelle befördert, von der aus es zum Ziel befördert wird.“

Navigation mithilfe von GPS und verschiedenen Sensordaten

Geflogen wird hauptsächlich GPS-gestützt, wobei verschiedene Sensordaten, etwa von Druck- und Magentfeldsensoren in die Navigation mit eingehen, um sicherzustellen, dass der Multikopter auch bei einem GPS-Ausfall weiterfliegen kann. Die GPS-Wegpunkte werden an der Zielbodenstation hochgeladen. Nähert sich der Multikopter seinem Ziel, übernimmt die Bodenstation die Navigation und steuert das Fluggerät mithilfe von Sensoren und einer Kamera in den Einflugbereich, wo es millimetergenau andockt. Alexander Raptopoulos weiter: „Wir sind überzeugt davon, dass das Matternet eine gute Idee ist – und wir haben auch die Technologie, um diese Idee Realität werden zu lassen.“

Der Transport von 2 kg über 10 km kostet 24 US-Cent

„Die nächste Frage liegt auf der Hand: Was soll das ganze kosten?“, so Raptopoulos weiter. „Es hat sich gezeigt, dass das, was wir eine „Mission“ nennen – das ist der Transport von zwei Kilogramm Nutzlast über zehn Kilometer – gerade einmal 0,24 US-Dollar kostet. Unglaublich – nicht wahr?“

Eine Bodenstation und drei UAVs kosten 18.000 US-Dollar

Die Kosten im Detail: Ein UAV kostet 1000 US-$. „Wir sind sicher, dass sich das machen lässt, denn es gibt einige Trends, die uns erlauben, die Kosten zu drücken“, erläutert Raptopoulos. „Dazu gehören etwa sinkende Akku-Kosten. Auch die Wartungskosten sind minimal, da ein UAV je nach Propellerzahl aus nur vier bis sechs beweglichen Teilen besteht, und zudem wird ein UAV eine Lebensdauer von zehn Jahren erreichen.“

Eine Bodenstation soll rund 15.000 US-$ kosten und ebenfalls eine Lebensdauer von zehn Jahren haben. „Je länger wir daran arbeiten, umso weiter werden die Kosten sinken.“

Die Kosten werden in Zukunft weiter sinken

„Zurück zu den Kosten einer Mission, also dem Transport von zwei Kilogramm Nutzlast über eine Strecke von zehn Kilometern: Gehen wir von 25 Missionen pro Tag und drei UAVs pro Bodenstation aus, liegen die Betriebskosten für das Fluggerät bei 0,03 US-Dollar, der Akku schlägt mit 0,09 US-Dollar zu Buche, da er nach 600 Ladezyklen gewechselt werden muss. Dies ist eine konservative Annahme, denn es ist zu erwarten, dass die Akkukosten drastisch sinken werden. Die Kosten der Bodenstation gehen mit 0,1 US-Dollar in die Rechnung mit ein und die Energiekosten für den Flug liegen bei gerade einmal 0,02 US-Dollar. Alles in allem kommen wir also auf Missionskosten von nicht mehr als 24 Cent!“

Verteilung von HIV/AIDS-Tests in Lesotho

„Wir begannen mit der Betrachtung der Problematik, HIV/AIDS-Tests in Lesotho zu verteilen. Lesotho ist ein von Bergen umgebener Landstrich in Südafrika. Dort brach eine AIDS-Epidemie aus – eine Bedrohung für die gesamte Bevölkerung. Mehr als eine halbe Million Menschen sind dort mit dem HIV/AIDS-Virus infiziert. 70 Prozent der Bevölkerung lebt in ländlichen Gebieten. Also gibt es dort 400.000 Menschen, die zweimal im Jahr einem AIDS-Test unterzogen werden müssen, um die medizinische Versorgung aufrecht zu erhalten oder sicherzustellen, dass der Virus möglichst frühzeitig entdeckt wird. Es wurde versucht, das Einsammeln der Blutproben mithilfe von 152 Kliniken und 19 Hospitälern mit Laboren zu organisieren. Dabei stellte sich heraus, dass es nicht genügend Leute gab, um die Proben von den Kliniken in die Labore zu bringen. Und kürzlich haben wir gelesen, dass der Transport nun mit Ponys bewerkstelligt werden soll – nun, wir können ein Pony-UAV dafür anbieten!“

Ein Matternet für 123 km2 kostet so viel wie 2 km Straße

„Der Transport von Blutproben ist also ebenso ein Problem wie der Transport von Medikamenten. Hier könnten wir ein Miniatur-Matternet aufbauen. Wir sahen uns auch die Gegend um Maseru an, in der es 47 Kliniken und sechs Labore auf einer Fläche von 123 Quadratkilometern gibt. Die Lösung der Probleme dort mittels Matternet würde heute nicht einmal eine Million US-Dollar kosten – und eine Million US-Dollar würden nach Aussagen der Weltbank auch zwei Kilometer einer einspurigen Straße kosten.“

„Als uns klar wurde, was wir da schufen, dachten wir nur: OK! Aber schließlich fragten wir uns, welche Möglichkeiten es noch gibt, ein Matternet zu nutzen. Also nahmen wir uns das Gegenteil des unseres Ausgangsproblems vor: Gegenden, wo die Verkehrsinfrastruktur zwar vorhanden ist, aber einfach nicht funktioniert. Eine halbe Milliarde Menschen leben heute in Megacities. In China kommt alle zwei Jahre eine weitere Megacity in der Größe von New York City hinzu. Es wird also etwas benötigt, das den Menschen in diesen Megacities das Leben in Zukunft erleichtert.“

In Sao Paulo sitzt man täglich 3 bis 4 Stunden im Stau

In Sao Paulo zum Beispiel leben 21 Mio. Menschen und es gibt 6 Mio. Autos. Die Einwohner sind daran gewohnt, jeden Tag 3 bis 4 Stunden im Verkehr festzustecken. In diesem Chaos stellen rund 250.000 Motorradkuriere die Beförderung von Gütern sicher. Im Durchschnitt sterben etwa 500 Menschen pro Jahr bei einem Motorradunfall – entweder als Fußgänger oder als Motorradfahrer.

Multikopter übernehmen die Kurierdienste

„Wir sind davon überzeugt, dieses Problem besser lösen zu können. Wir würden auf den Dächern oder auch an den Fassaden der Häuser Matternet-Stationen platzieren. So erhielten wir eine Infrastruktur, die sieben Tage in der Woche 24 Stunden betriebsbereit wäre – wie das Internet. Das also ist unsere Vision: Das Matternet soll in Sachen Transport von Sachen die gleiche Rolle spielen, wie das Internet für die Übertragung von Informationen. Und bei diesem Konzept wird die Bandbreite – also die Anzahl der pro Zeiteinheit beförderten Güter – rasant wachsen, während die Kosten drastisch sinken werden.“

Die Erfinder müssen sich zahlreichen Herausforderungen stellen

Dabei gibt es allerdings eine ganze Reihe Herausforderungen: etwa gesetzliche Hürden oder eine vielleicht fehlende gesellschaftliche Akzeptanz. So etwa das Problem, dass die Gesetzgebung bei Unfällen jemanden braucht, der die Schuld trägt, denn ein Roboter kann nicht für einen Unfall verantwortlich gemacht werden.

Youtube-Video über das Robokopter-Projekt:

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