Deze hittebestendige drone kan letterlijk een brandhaard in vliegen

Onderzoekers verbonden aan het Zwitserse instituut Empa en het Imperial College London hebben een drone ontwikkeld die letterlijk een brand in kan vliegen, zonder beschadigd te raken. Daartoe is de FireDrone voorzien van een speciaal omhulsel gemaakt van een aerogel, met daaronder een aluminium reflectielaag. De eerste proefvluchten met de drone zijn succesvol verlopen.

De vlammenzee in

Waar anderen naar buiten rennen, moeten zij naar binnen: we hebben het over brandweerlieden. Alleen al in Zwitserland werden Zwitserse brandweerkorpsen vorig jaar opgeroepen voor meer dan 12.000 brandbestrijdingsmissies. Daarbij begeven de brandweerlieden zich in gevaarlijke situaties – soms worden ze omgeven door een zee van vlammen.

Aangezien de temperaturen in een brandend gebouw dodelijke niveaus van ongeveer 1.000 graden Celsius kunnen bereiken, is het essentieel om elk onnodig risico te vermijden. Vliegende robots kunnen dergelijke missies ondersteunen. Onderzoekers van Empa en Imperial College London ontwikkelen momenteel een hittebestendige drone die data kan verzamelen vanuit de brandhaard. Op basis van deze informatie kunnen de hulpverleners hun strategie optimaliseren voordat ze zich in nabij de brand wagen.

“Voordat ze rechtstreeks de gevarenzone betreden, weten de brandweerlieden natuurlijk niet precies wat hen te wachten staat en welke moeilijkheden ze zullen tegenkomen,” zegt Mirko Kovac, hoofd van het Sustainability Robotics Laboratory van Empa en het Aerial Robotics Lab van Imperial College London. “Drones uitgerust met camera’s en CO2-sensoren kunnen vooraf belangrijke informatie verschaffen over de verspreiding van brandhaarden, onverwachte gevaren of vastzittende mensen.”

Te heet voor normale drones

Drones worden al gebruikt bij brandbestrijding, waarbij ze luchtfoto’s maken, brandslangen naar wolkenkrabbers tillen of blusmiddelen in afgelegen gebieden laten vallen, bijvoorbeeld om de verspreiding van bosbranden tegen te gaan – maar altijd op een veilige afstand van de vuurhaard.

“Om dichterbij te vliegen, is de extreme hitte die door een brand wordt gegenereerd te groot voor gewone drones,” zegt David Häusermann van het Sustainability Robotics Lab van Empa. “Dicht bij het vuur smelt het frame en geeft de elektronica het op. Met commerciële drones kun je alleen vanaf een veilige afstand luchtfoto’s van de brand maken. Veel meer dan dat zit er niet in. Om die reden zijn we een drone gaan ontwikkelen die de hitte kan weerstaan en zodoende snelle en nauwkeurige gegevens kan leveren vanuit de brandhaard zelf.”

Ultralicht en robuust

Häusermann werkte samen met brandweerlieden om de vereisten van een hittebestendige drone te bepalen en ging op zoek naar een materiaal dat het hart van de drone – de motoren, accu’s, sensoren en elektronica – kon beschermen. Hij vond wat hij zocht bij collega’s van het Building Energy Materials and Components Lab van Empa: de onderzoekers onder leiding van Shanyu Zhao en Wim Malfait slaagden erin een isolatiemateriaal te synthetiseren dat hoge temperaturen kan weerstaan en de drone daardoor beter bestand maakt tegen brand.

Bij het ontwerpen van de FireDrone lieten de onderzoekers zich inspireren door de natuur, of meer specifiek door dieren zoals pinguïns, poolvossen en schuimbeestjes die in extreme temperaturen leven. Al deze dieren hebben bijbehorende lagen vet, bont of produceren hun eigen beschermende lagen thermoregulerend materiaal waarmee ze kunnen overleven onder extreme omstandigheden.

Geschikt voor ruimtepakken

Het betreffende materiaal is een aerogel, een ultralicht materiaal dat bijna volledig bestaat uit met lucht gevulde poriën omhuld door een vleugje polymeersubstantie. In dit geval kozen de materiaalonderzoekers voor een aerogel op basis van een polyimide plastic. Polyimide-aerogels worden ook onderzocht door NASA, bijvoorbeeld voor de isolatie van ruimtepakken.

Shanyu Zhao vertrouwde echter niet alleen op polyimide om de aerogel te synthetiseren: het composietmateriaal bestaat uit polyimide en silica en is ook versterkt met glasvezels. “Laboratoriumanalyses hebben aangetoond dat dit relatief brandbestendige materiaal bijzonder geschikt is voor gebruik in drones,” zegt aerogelonderzoeker Zhao.

Vlucht in het inferno

Een prototype van de FireDrone heeft zich al bewezen tijdens de eerste tests bij Empa in Dübendorf. De vliegeigenschappen en bestuurbaarheid van de drone bleken uitstekend, zelfs met een aerogel isolatiejas en een ingebouwd koelsysteem, evenals aluminium bekleding om hitte te reflecteren. Maar of drone ook echt de ‘vuurdoop’ zou doorstaan, kon alleen proefondervindelijk worden vastgesteld, door de drone een grote gasvlam in te sturen.

Het resultaat: het prototype van de FireDrone overleefde meerdere testvluchten. Onderzoeker Häusermann blikt tevreden terug: “Zelfs na meerdere vluchten zijn de elektronica, warmtebeeldcamera en CO2-sensoren van de FireDrone onbeschadigd en klaar voor verdere testen. Een volgende stap is om de FireDrone in een echte brand te testen, waarbij een sterke roetontwikkeling optreedt in tegenstelling tot de relatief schone gasvlam.”

Brandweerexpert Stefan Keller is ook onder de indruk van de resultaten: “Als een drone de eerste verkenning van de situatie uitvoert, hoeven we de brandweerlieden niet onmiddellijk naar de gevarenzone te sturen. Voor ons is deze vooruitgang enorm interessant.”

Ook extreme kou

De FireDrone kan ook worden gebruikt in extreem koude omgevingen, zoals in polaire gebieden en op gletsjers. Het team heeft de drone ook getest in een gletsjertunnel in Zwitserland om te bestuderen hoe het systeem zich gedraagt bij zeer lage temperaturen. Er zijn al gesprekken gaande met potentiële industriële partners om het prototype verder te ontwikkelen.

“Het gebruik van drones wordt vaak beperkt door omgevingsfactoren zoals extreme temperaturen,” aldus Mirko Kovac. “Met de FireDrone laten we zien hoe we het toekomstige toepassingsgebied van drones in extreme omgevingen aanzienlijk kunnen uitbreiden.”

(bron: Empa)