Auf dem Weg zu mehr Nachhaltigkeit

Stellen Sie sich vor, Sie entwickeln ein Roboter-Segelflugzeug, das nur mit dem Wind im Rücken auf 800 km pro Stunde beschleunigen kann. EPFL-Professor Pascal Fua verbindet Leidenschaft mit Arbeit und betreibt Forschung, um die erforderlichen Fähigkeiten zu entwickeln, die wichtige Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit haben.

Tanya Petersen 04.04.2022

Pascal Fua, Leiter des Labors für Computer Vision (CV) der EPFL an der Fakultät für Informatik und Kommunikationswissenschaften und leidenschaftlicher Segelflieger, wollte schon immer fliegen. Als kleiner Junge träumte er davon, Kampfpilot zu werden, aber ohne 20-20-Sicht war das nicht möglich. Also beschloss er, die Triebwerke eines Kampfjets durch gar keine Triebwerke zu ersetzen.

Seit mehr als 30 Jahren fliegt Fua mit seinem Segelflugzeug um die Welt, in Europa, Australien und Amerika. Im Jahr 2006 gehörte er zu einer Crew, die einen Weltrekord aufstellte, indem sie 1000 Kilometer in weniger als fünf Stunden über die Anden flog: «Wir haben die Tatsache ausgenutzt, dass die Winde vom Pazifik aufsteigen und ein Wellenmuster hinter den Bergen auf der argentinischen Seite bilden. Man kann diese Wellen zwar nicht sehen, aber man kann auf ihnen surfen und ohne Motor in unglaubliche Höhen aufsteigen», erklärte er.

Jetzt nutzt er seine umfangreiche Segelflugerfahrung, um die Grenzen von Leistung und Nachhaltigkeit im Rahmen des dynamischen Segelflugs zu erweitern. Dabei handelt es sich um eine weitere Flugtechnik, bei der Energie gewonnen wird, indem die Grenze zwischen Luftmassen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit überschritten wird. Ferngesteuerte Segelflugzeuge können diese Scherwinde in geringerer Höhe nutzen, und die höchste gemeldete Bodengeschwindigkeit beim funkgesteuerten dynamischen Segelflug beträgt 882 km/h. Eine der Schwierigkeiten beim Einsatz des dynamischen Segelflugs zur Energieeinsparung besteht jedoch darin, dass die Dinge zu schnell ablaufen, als dass ein Mensch sie richtig kontrollieren könnte. Und hier kommt die Idee von Robotern ins Spiel, die den Gleitflug automatisch steuern.

«Es ist ein bisschen wie ein Schachspiel, denn wie auf einem Segelboot muss man seine Route planen und schätzen, wo die Bedingungen gut sein werden. Manchmal klappts, manchmal nicht, ein bisschen wie in der Forschung.» Pascal Fua, EPFL-Professor

Fua arbeitet derzeit an einem Projekt mit Dr. Ashish Kapoor von Microsoft Research, ebenfalls ein begeisterter Pilot, der sein eigenes Flugzeug gebaut hat, um neuartige Ansätze für die automatisierte Konstruktion komplexer zusammengesetzter Objekte wie Segelflugzeuge oder Drohnen zu entwickeln, die strenge Designvorgaben erfüllen müssen, insbesondere im Hinblick auf ihre Steuerbarkeit.

Mit der umfassenden Erfahrung der EPFL im Bereich der 3D-Modellierung und der langjährigen Arbeit von Microsoft im Bereich der Simulation, Steuerung und Planung von Flugrobotern entwickelt das Projekt einen dynamischen Segelflugroboter, der tiefe neuronale Netze in Microsofts AIRSIM-Simulationspaket integriert, was zu einer hervorragenden Sammlung von Simulatoren (CFD, Flugroboter, Software-in-the-Loop-Steuerung usw.) führt, die dann gemeinsam für die Entwicklung von Steuerungen verwendet werden können.

«Kurz gesagt, unser Labor führt Simulationen durch, um die grosse Menge an Daten zu erzeugen, die für einen Algorithmus benötigt werden, der die verschiedenen Reaktionen des Segelflugzeugs für den dynamischen Segelflug kennen muss. Wir werden diese Daten an Microsoft weitergeben, um sie in die Robotersteuerung einzugeben, so dass der Teil des Fluges, der dem dynamischen Soaring dient, vollständig automatisiert wird», erklärte Fua.

«In diesem Projekt verwenden wir ein handelsübliches Segelflugzeug mit einer Flügelspannweite von etwa zwei Metern, aber der nächste Schritt besteht darin, die Form und die Steuerungsverfahren mitzugestalten, um eine bessere Leistung und eine präzisere Steuerung zu erreichen, im Gegensatz zu dem, was heutzutage normalerweise geschieht, nämlich etwas zu entwerfen und dann einen Weg zu finden, es zu steuern», fügte er hinzu.

Das Projekt hat nicht nur Auswirkungen auf Segelflugzeuge und Drohnen, sondern auch auf Autos, konventionelle Flugzeuge, Windturbinen und Kernfusionsreaktoren – also auf alles, was gesteuert werden muss und bei dem die Effizienz von grösster Bedeutung ist: «Nehmen wir zum Beispiel Windturbinen», so Kapoor, «sie sind riesig und ihre Leistung wird durch das sie umgebende Windfeld beeinflusst. Daher ist es sinnvoll, die Blätter ständig zu kontrollieren, um so effizient wie möglich zu sein, und wie bei einem Hubschrauber die Neigung der Blätter ständig zu ändern.»

Am Ende des Tages sind beide Forscher glücklich, dass sie mit ihrer Arbeit einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten können. Und wie Fua überlegt, sind die Grenzen zwischen beiden manchmal gar nicht so weit voneinander entfernt, wie es scheint: «Ich liebe den Segelflug und er ist eine Herausforderung. Es ist ein bisschen wie ein Schachspiel, denn wie auf einem Segelboot muss man seine Route planen und erraten, wo die Bedingungen gut sein werden. Manchmal klappts, manchmal nicht, ein bisschen wie in der Forschung.»

Diese gemeinsame Forschungsarbeit von EPFL und Microsoft ist eines von mehreren hochkarätigen Projekten, die die Nachhaltigkeit in der Luftfahrt vorantreiben. Das ebenfalls in der Schweiz ansässige Projekt SolarStratos will ein solarbetriebenes Flugzeug in die Stratosphäre schicken, um zu demonstrieren, dass die solarelektrische Luftfahrt bereits heute die Tür zur Mobilität von morgen öffnet. Die Initiative Perlan 2 wird ein Druckgleitflugzeug mit Flügeln entwerfen und bauen, das in weniger als 3 % der normalen Luftdichte und bei Temperaturen von minus 70 Grad Celsius fliegen kann, um an den Rand des Weltraums aufzusteigen und die Wissenschaft der riesigen Gebirgswellen zu erforschen, die zur Entstehung des Ozonlochs beitragen und globale Klimamodelle verändern.