Drones helpen bij bestrijden bosbranden

Klimaatverandering leidt tot grotere en frequentere bosbranden. Drones met sensoren kunnen voor snellere detectie en ingrijpen zorgen.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Oak Ridge (Tennessee) gebruiken sensoren, drones en machine learning om zowel branden te voorkomen als hun schade aan het elektriciteitsnet te verminderen. Ze zijn bezig met het verfijnen van de technologie om op afstand elektrische vonken en defecte apparatuur te detecteren, en de richting van het verspreiden van branden te bepalen.

De behoefte is urgent. De grootste geregistreerde bosbrandjaren vonden plaats sinds 2004, wat samenviel met veel van de warmste jaren ooit. Veel bosbranden worden veroorzaakt door hoogspanningsleidingen, terwijl omgekeerd bosbranden wijdverbreide stroomuitval kunnen veroorzaken. Elektriciteitsbedrijven hebben dus een groot belang bij het aanpakken van de crisis.

Drones en sensoren

Afgelopen brandseizoen zorgde het Department of Energy in Washington (DC) voor financiering van een aantal onderzoeksprojecten naar natuurbranden, waaronder bij ORNL. Het ministerie heeft ervoor gekozen om het onderzoek te versnellen omdat het onderkent hoe kritisch en gevaarlijk natuurbranden zijn geworden als gevolg van klimaatverandering. Schade door natuurbranden kan grootschalige stroomuitval in verschillende staten veroorzaken.

Het werk dat ORNL doet met sensortechnologie op drones die verder kunnen gaan dan de gezichtslijn, is belangrijk. Hierdoor kunnen autoriteiten problemen die het elektriciteitsnet in gevaar kunnen brengen een aantal stappen voor zijn, waardoor het net onbetrouwbaar en minder veerkrachtig wordt.

Behalve voor elektriciteitsbedrijven is het onderzoek belangrijk voor de bestrijding van natuurbranden. Het verbetert ook de detectie van branddetectie voor de US Forest Service, de belangrijkste instantie voor de bestrijding van bosbranden.

Preventie

Sensoren die in de buurt van hoogspanningsleidingen of in vermogenselektronica worden geplaatst, kunnen variaties in de vermogensstroom registreren die leiden tot oververhitte vonken. ORNL-onderzoekers ontwikkelen een algoritme voor het snel herkennen en classificeren van deze elektrische vlambogen, die optreden wanneer elektriciteit tussen twee geleiders door de lucht springt.

Ze gebruiken een bibliotheek met 'handtekeningen' in golfvorm, bijgedragen door nutsbedrijven en universiteiten. De signalen vertonen pieken in spanning of stroom die worden veroorzaakt door anomalieën zoals boogvorming. Het algoritme detecteert deze anomaliegebieden. De volgende stappen omvatten het trainen van een softwareprogramma om vergelijkbare handtekeningen te herkennen en te bepalen waar de boogvorming plaatsvindt. Het algoritme, dat zou kunnen worden ingezet in vermogenselektronica, kan het commandocentrum van het nutsbedrijf waarschuwen, zodat het personeel de locatie kan controleren – en of deze toegankelijk is.

Drones

Hier komen drones van pas. Vonken ontstaan vaak voor in moeilijk te bereiken ruige gebieden. Vliegtuigen en helikopters kunnen soms niet laag of dichtbij genoeg komen om kleine bogen te vinden. Ze zijn ook veel duurder om te vliegen en moeilijk om snel in te plannen. Een veelbelovend alternatief is het gebruik van drones die zijn uitgerust met sensoren die video opnemen. Ze kunnen geluids-, warmte- en radiofrequentie-emissies van kleine bogen detecteren. Deze gecombineerde sensorische mogelijkheden kunnen gedetecteerde problemen bevestigen en interferentie overwinnen.

Drones helpen bij het identificeren van onderhoudsbehoeften voordat branden beginnen. De ervaring van het ORNL met het besturen van drones buiten de visuele gezichtslijn maakt het inspecteren van transmissielijnen over grote afstanden mogelijk. De Federal Aviation Administration heeft onlangs (ongebruikelijke) toestemming gegeven om met drones door de Verenigde Staten te vliegen, en tot 450 m (1500 voet) met speciale toestemming.

Op een drone gemonteerde sensoren kunnen helpen bij het vinden van nieuwe branden. Deze worden deels veroorzaakt door sintels die tot anderhalve kilometer van de hoofdbrand kunnen worden geblazen. Alleen sensoren kunnen warmte detecteren onder een bladerdak van bomen waar geen rook zichtbaar is. De drones kunnen ook worden gebruikt om hotspots in een afgebrand gebied te lokaliseren – een taak die nu met de hand wordt uitgevoerd terwijl brandweerlieden door as ziften.

Grote hoogte

ORNL-onderzoekers leveren ook sensoren voor een ander experiment van de US Forest Service voor het detecteren van hitte van extreem hoogte. De sensoren kunnen worden gedragen door een ballon of door een op zonne-energie aangedreven vliegtuig dat lang in de lucht kan blijven. Het vliegt boven onweersbuien en controleert op branden die zijn ontstoken door blikseminslagen. Die technologie wordt later dit jaar getest. Deze applicatie zou de behoefte aan geleide vluchten voor het spotten van vuur kunnen verminderen, waardoor menselijke risico's worden geëlimineerd en de beperkte middelen verstandig worden gebruikt.

Het onderzoeksteam is begonnen met het onderzoeken van andere manieren om elektrische brand te voorkomen met behulp van op een drone gemonteerde sensoren, zoals detecteren of aftakkingen of transformatoren overtollige warmte genereren.

Maatschappelijk belang

In Californië en ook in andere staten in de VS gaan jaarlijkse grote natuurgebieden in vlammen op. Ook in Frankrijk, Spanje, Portugal, Griekenland en op de Balkan woeden jaarlijks grote natuurbranden. En niet te vergeten Australië.

Tijdens een natuurbrand in de Wears Valley (Tennessee) in 2021, veroorzaakt door omgevallen hoogspanningslijnen, kregen de onderzoekers toestemming van brandweerlieden om drones te gebruiken. Ze bewaakten de temperatuur in hoogspanningslijnen en transformatoren te midden van de brand. Zelfs als ze de brand overleven, kunnen transformatoren worden aangetast door blootstelling aan temperaturen die heter zijn dan hun bedrijfslimieten. Deze bewaking kan helpen bepalen waar apparatuur moet worden vervangen.

De Camp Fire in 2018 was de dodelijkste en meest destructieve bosbrand in de geschiedenis van Californië en de duurste natuurramp ter wereld in dat jaar. Het vuur veroorzaakte minstens 85 slachtoffers, zowel brandweerlieden als burgers. Het besloeg een oppervlakte van 620,5 km² en vernietigde meer dan 18.800 gebouwen. De grote verwoesting leidde tot het faillissement van het nutsbedrijf.

Als het onderzoek aan het ORNL dit soort gevolgen kan verminderen, is dat goed voor iedereen.

Foto: Oak Ridge National Laboratory