Drohnen haben eine erstaunliche Entwicklung hinter sich. Sie fliegen heute weiter und schneller denn je und verfügen über immer mehr Funktionen. Damit das gelingt, sind die unterschiedlichsten Elektronikbauteile erforderlich.
Arbeitsspeicher, Datenspeicher, Motorregelung und sogar künstliche Intelligenz und Machine Learning erlauben es, Drohnen flexibel in vielen Bereichen einzusetzen: Sicherheit und Militär, Landwirtschaft, Rettungsdienste, Katastrophenschutz und Medizin sowie Warentransport und ‑lieferung. Es wird erwartet, dass der Markt für Drohnendienstleistungen bis 2025 auf 63,6 Milliarden US-Dollar wachsen wird und damit den Trend der Vorjahre fortsetzt.
Die Entwicklung elektronischer Bauteile und auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie ist eng mit künftigen Fortschritten der Drohnentechnologie und weiteren Einsatzmöglichkeiten verknüpft.
Drohnen am Wendepunkt
Bereits im Jahr 1839 hat Österreich beim Angriff auf Venedig unbemannte, mit Sprengstoff gefüllte Ballons verwendet. Wenn man so will, der erste Einsatz von Drohnen, denn sie sind nichts anderes als unbemannte Luftfahrzeuge.
In neuerer Zeit wurden Drohnen ebenfalls zunächst militärisch eingesetzt. Das war im Jahr 1982. Streitkräfte nutzen Drohnen heute für gezielte Schläge oder zum Stören der Kommunikation, zur Erkundung feindlicher Stellungen und sogar als Täuschkörper, die das Leben der Piloten schützen.
Auf Basis der militärischen Entwicklungen hat auch der kommerzielle Einsatz einen Sprung nach vorn gemacht – insbesondere in den letzten zwei Jahrzehnten. Als Reaktion darauf verlangt die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA seit 2006 Pilotenlizenzen. Zu Beginn wurden nur wenige davon erteilt, doch 2013 kündigte Amazon an, Versuche mit Lieferdrohnen zu unternehmen. 2016 schließlich gab die FAA Tausende von Lizenzen aus.
Die letzten fünf Jahre habe sich als Wendepunkt für die Drohnentechnologie erwiesen, denn immer mehr Unternehmen steigen als Hersteller oder Verkäufer in das Geschäft ein. Wieder andere nutzen die wendigen Flieger für unzählige Aufgaben.
Lieferdrohnen sind erst der Anfang
Es überrascht nicht, dass Amazon Vorreiter im Bereich der Lieferdrohnen ist. Doch der Warentransport ist nur eines von vielen Anwendungsfeldern.
Bevor Amazon Prime Air im Sommer 2020 an den Start ging, setzte der chinesische E-Commerce-Anbieter JD.com bereits 2016 Drohnen ein, um Kunden in entlegenen Gebieten zu beliefern. Und UPS erhielt für Flight Forward als erster Drohnenlieferdienst im Jahr 2019 eine Zulassung der FAA als kommerzielle Airline. Kommerzielle Lieferdienste per Drohne gibt es außerdem in Australien und Europa. Drohnen bringen nicht nur Pakete an die Haustür, sondern werden auch im Lager als Teil der autonomen Roboterflotte eingesetzt, um ohne Laserführung oder andere Markierungen an schwer zu erreichenden Orten Inventur zu machen.
In vielen Fällen besteht der Vorteil der Drohnen darin, dass damit Orte erreicht werden können, die für Menschen unzugänglich oder nicht sicher sind. Das ist besonders bei Notfällen und (Natur-)Katastrophen ein großer Pluspunkt. Drohnen spielen eine wichtige Rolle nach jeder Art von Katastrophe. Mit Wärmesensoren lassen sich Wärmesignaturen aufspüren, um die Ersthelfer zu Brandnestern zu führen. Nach einem Erdbeben oder bei anderen Sucheinsätzen lassen sich damit auch verschüttete Personen finden. Drohnen können Medikamente und ähnliche Güter in entlegene oder nach einem Sturm oder einer Flut von der Außenwelt abgeschnittene Gebiete transportieren. Sie können bei einem Zusammenbruch der Kommunikationsinfrastruktur als vorübergehende Vermittlungsstellen dienen.
Doch Drohnen werden nicht nur auf den Schattenseiten des Lebens eingesetzt. In der Landwirtschaft erleichtern sie die Begutachtung des Pflanzenwachstums, in der Viehwirtschaft können verletzte oder fehlende Tiere ausfindig gemacht werden. Mit Drohnen lassen sich auch dreidimensionale Geländekarten erstellen, aus denen man Bodenqualität, Nährstoffverteilung oder toten Boden ablesen kann. Auch beim Säen, beim Ausbringen von Spritzmitteln und bei der Überwachung der Bewässerung werden sie genutzt.
Ob in der Landwirtschaft oder anderswo: In jedem Fall werden unzählige Elektronikbauteile benötigt, um die einzelnen Funktionen zu realisieren: Arbeitsspeicher, Prozessoren, Motorregelungen, Sensoren und Kommunikationstechnik.
Sehen und Lenken ohne Sensoren ist unmöglich
Die wichtigsten Komponenten einer Drohne sind Sensoren, denn ohne sie sind weder präzise Flugmanöver noch viele der anderen Funktionen möglich.
Ein Luftdrucksensor hilft dabei, die Höhenlage zu halten und bei Bedarf in der Luft stillzustehen, zum Beispiel für Fotos oder Videoaufnahmen. Bei der Mittelausbringung liefert ein Differenzdrucksensor die nötigen atmosphärischen Daten zur Beibehaltung einer konstanten Geschwindigkeit und gleichmäßigen Verteilung des Pflanzenschutzmittels. Es gibt passive Sensoren, mit denen vorliegende Umweltdaten wie die Lichtreflexion von Objekten oder der Schall von Dingen in der Luft (zum Beispiel Flugzeugtriebwerke) gemessen werden.
Zu den aktiven Sensoren gehören das Radar, das Radiowellen aussendet und aus der Energie der zurückgeworfenen Echos die Lage und Geschwindigkeit erkannter Objekte bestimmt. Lidar sendet Laserlicht aus, das von Objekten in der Gegend reflektiert wird. Lidar wird für die Navigation verwendet, ähnlich wie bei autonomen Fahrzeugen am Boden. Häufig gehören zur Sensorik auch Kameras für Luftbildaufnahmen und hochauflösende Videobilder.
Die Daten all dieser Sensoren müssen gespeichert, verarbeitet und übermittelt werden. Je komplexer das Einsatzszenario, desto mehr Elektronik steckt in der Drohne.
Drohnen als autonome Vehikel der Zukunft
Wie bei modernen Straßenfahrzeugen fallen auch bei Drohnen die unterschiedlichsten Daten an. Das ist eine Herausforderung für die Speichertechnologie. Häufig werden Fotos und Videos aufgenommen, die einerseits (vorübergehend) im Speicher der Drohne abgelegt und andererseits für eine genauere Analyse übertragen werden müssen.
Gerade für hochauflösende Videoaufnahmen muss der Speicher hinreichend groß bemessen sein. Der Datenspeicher muss auch abgesichert werden, denn die Drohne als vernetzter Endpunkt kann beim Speichern oder Übermitteln der Daten gehackt werden. Besonders intelligente Drohnen benötigen besonders viel Speicherplatz. Moderne Drohnen können die Bilddaten in Echtzeit auswerten und Ergebnisse übermitteln, sodass die Analyse nicht erst im Nachhinein erfolgt. Für weniger komplexe Aufgaben reicht vielleicht eine SD-Speicherkarte oder ein anderer Wechseldatenträger aus. Bei anderen Anwendungen muss es eine SSD mit großer Kapazität sein.
Da Drohnen immer öfter in komplexen, kritischen Anwendungen zum Einsatz kommen, spielen Arbeitsspeicher und Prozessoren eine immer wichtigere Rolle. Wie ein IoT-Gerät entscheidet der Einsatzzweck über Speicher, Prozessor und Grafikkarte. Als Datenspeicher und für die Verarbeitung kommen NAND- und NOR-Flash infrage. Sind KI und Echtzeitanalysen an Bord, wird auch stromsparendes DRAM benötigt.
Alle gesammelten Daten müssen letztendlich an eine zentrale Stelle übertragen werden. Manchmal kann dies nach der Landung erfolgen, aber in jedem Fall ist für eine genaue und sichere Steuerung in der Luft eine robuste und gesicherte Funkverbindung erforderlich. Wird hierfür 5G eingesetzt, kann die Drohne autonom navigieren und fortschrittliche Analyse- und KI-Programme fast in Echtzeit auf umfangreiche Datenmengen ansetzen.
Wie moderne Straßenfahrzeuge könnte auch die Drohne der Zukunft zu einem kleinen Server werden, der Entscheidungen trifft und missionskritische Dienste oder Smart Citys als Teil einer großräumigen Edge-Computing-Infrastruktur unterstützt.