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Derzeit testen Teams von Vulkanologen verschiedene Methoden, um vulkanischen Gasen auf den Grund zu gehen und einen Einblick zu erhalten, was unter der Erde vor sich geht.

Zum einen sind Forscher der TU München mit einem Laser-Flugroboter-System auf der Liparischen Insel Vulcano vor Sizilien unterwegs. Sie berechnen indirekt die Gaskonzentration. Ein weiteres Team der Johannes Gutenberg-Universität Mainz nutzt ein anderes Prinzip und fliegt seine Drohne direkt in die vulkanischen Gase hinein.

Jeder vulkanische Ort hat ein charakteristisches Spektrum an Gasen – der Ätna auf Sizilien „riecht“ anders als die Phlegräischen Felder bei Neapel oder die Liparischen Inseln. Das lässt sich messen, analysieren und vergleichen.

Kurz vor einem Ausbruch ändert sich häufig die Zusammensetzung der Gase. Bisher maßen Vulkanologen dazu unter erheblichen Gefahren die Gase am Boden. Diese Messungen sind nicht nur risikoreicher, sondern auch fehlerbehafteter, da auch umgebende Pflanzen und der Boden diese Gase abgeben können.

Je stärker Lava vom Erdinneren an die Oberfläche drückt, umso mehr Gase treten aus. Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen sind daher Indikatoren dafür, wie hoch die Aktivität eines Vulkanfeldes aktuell ist. Besonders das Verhältnis von Kohlendioxid und Schwefeldioxid lässt Rückschlüsse darüber zu, was unter der Erdoberfläche passiert.

Es geht also darum, inmitten einer Mondlandschaft mit vulkanischen Gasen und schwefelhaltigem Dampf die Gaskonzentration an einem Ort – über dem Krater – zu bestimmen, den Menschen nicht erreichen können und ohne dass sich Menschen in Gefahr begeben müssen.

Nun schweben hingegen Flugroboter über den Gaswolken. „Das ist präziser und sicherer“, sagt Prof. Achim Lilienthal. Lilienthal ist stellvertretender Direktor des Robotikinstituts TUM MIRMI und Leiter des Lehrstuhls für Perzeption für intelligente Systeme der TUM School of Computation, Information and Technology. Er forscht seit vielen Jahren am Riechsinn von Robotern.

Das Prinzip der Münchner ist: Ein Laser am Boden richtet sich von selbst auf einen Reflektor am Flugroboter aus. Der von dem Laser ausgesandte Laserstrahl wird dort reflektiert und schwächt sich auf dem Weg durch die Wolke etwas ab. Durch die Differenz kann die Konzentration eines Gases, beispielsweise von Kohlendioxid, berechnet werden.

Der Flugroboter an sich fliegt eine festgelegte Route über und um die vulkanischen Gaswolken. In dieser Zeit wird bis zu 3.000-mal gemessen. Aus den Daten entsteht eine Karte der Gaskonzentration innerhalb einer bestimmten Höhe.

„Unser Ziel ist, das Messen und Kartieren zu automatisieren und einer künstlichen Intelligenz die Interpretation der Daten zu übergeben“, sagt Lilienthal.

Die Windverhältnisse am jeweiligen Ort werden mit eingerechnet. Das System wurde zuvor auch in einem Windkanal getestet. Ein großer Vorteil ist, dass keine Sensoren durch die ätzenden Gaswolken beschädigt werden.

Die zweite Drohne nutzt ein anderes Prinzip und misst Gaskonzentrationen direkt über Sensoren an Bord: „Wir fliegen direkt in die Vulkanfahne hinein und können so die Konzentration entlang der abgeflogenen Wege bestimmen“, sagt Prof. Thorsten Hoffmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Der Chemiker hat ein System entwickelt, welches über Messzellen Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbiert und so die Konzentration eines Gases bestimmen kann. Diese Drohne ist mit Sensoren ausgerüstet, die Gase, Partikel und verschiedene Elemente wie Chlor oder auch Brom messen können.

„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 Hoffmann.

Beide Forschergruppen wollen die Auswirkungen von Vulkanausbrüchen sowie vulkanischen Emissionen auf die Atmosphäre besser verstehen. Zudem können Drohnen auch dort messen, wo kein Bergsteiger hinkommt. Als Nächstes wollen die Mainzer ihre Drohne am Ätna testen.