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2025 | Buch

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Ökologische Effekte durch Drohnen

Analyse von Einflussfaktoren für nachhaltige Logistiklösungen im Gesundheitswesen

verfasst von: Holger Schulze

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

Inhaltsverzeichnis
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Über dieses Buch

Seit 2005 beschäftigt sich der Autor mit Drohnentechnologien. Aber erst seit etwa zehn Jahren kann sich das Drohnen-Business in Deutschland und Europa, bedingt durch die veränderten rechtlichen Rahmenbedingungen und unterstützt durch den politischen Willen, als selbsttragendes Geschäftsfeld entwickeln. Als Gesellschafter-Geschäftsführer eines Drohnenunternehmens hat der Autor in den Jahren 2019 bis 2023 im Rahmen des Antrags auf Zulassung eines Regelflugbetriebs im Bereich der medizinischen Logistik die dafür notwendigen technischen, ökonomischen und ökologischen Konzepte entwickelt. Die im Zulassungsantrag eingereichten Unterlagen dienten der Luftfahrtbehörde als Grundlage für die im Jahr 2023 erteilte Betriebsgenehmigung. Diese Zulassung erfolgte für einen Regelflugbetrieb in der höheren Risikoklasse SAIL III und schloss als erste Betriebsgenehmigung in Europa Drohnenflüge auch über bewohnten Gebieten ein. Die Vorteile des Einsatzes unbemannter Luftfahrzeuge in der medizinischen Logistik liegen auf der Hand: Stichworte wie Geschwindigkeitsvorteil, grüne Logistik und Kostenreduzierung werden oft als Argumente angeführt. Auch wenn hinter das Stichwort „Kostenreduzierung“ derzeit noch ein großes Fragezeichen zu setzen ist, kann mit dem Einsatz von Drohnen die Logistik im Gesundheitswesen zumindest deutlich flexibler organisiert werden. Eine der Fragen im Antragsverfahren betraf die Umweltverträglichkeit von Drohnenflügen. Umfangreiche Literaturrecherchen und die Auswertung von Forschungsergebnissen ergaben, dass zu diesem Thema noch keine hinreichend praxisrelevanten Ergebnisse vorliegen. Aus diesem Grund fasst die vorliegende Publikation die im Rahmen des Zulassungsverfahrens durchgeführten Recherchen, Untersuchungen und Tests zusammen. Dabei wird eine Systematik angewendet, die Umwelteinflüsse von Drohnenflügen wesentlich komplexer als bisherige Untersuchungen betrachtet. Anstatt allein die CO2-Re-duktion im Vergleich zum Transport von medizinischem Material auf der Straße zu betrachten, kommt ein gesamtheitlicher und vor allem praxisorientierter Ansatz zum Tragen. Um die geringen Auswirkungen von Drohnenflügen auf die Tierwelt nachzuweisen, wurden über 600 Drohnenflüge ausgewertet und Reaktionen von Tieren ermittelt. Wesentliche Inhalte des Buches sind: die Betrachtung von Grundlagen im Bereich des Umweltschutzes und Darstellung einer Auswahl relevanten Datenbestände und Informationsquellen. eine strukturierte Darstellung von unterschiedlichen Bauformen unbemannter Luftfahrzeuge eine Analyse der derzeitigen Entwicklungsrichtungen im Bereich von Drohnen und der für die Antriebe eingesetzten Energieträger eine Darstellung mit dem Transport von Gefahrstoffen verbundenen Herausforderungen in der auf Drohnen basierenden Logistik sowie eine Untersuchung des Einflusses von Drohnenflügen auf die Tierwelt und Vorschläge für die Umsetzung einer umweltschonenden Flugplanung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Vorbetrachtungen
Zusammenfassung
Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), sind ferngesteuerte oder autonome Luftfahrzeuge, die verschiedene Branchen, darunter Landwirtschaft, Transport, Lieferung, Bauwesen und Verteidigung, (r)evolutioniert haben. Sie werden zunehmend für Aufgaben eingesetzt, die für menschliche Piloten gefährlich oder zu schwierig sind oder bei denen eine alternative Umsetzung zu teuer wäre. Umgangssprachlich auch Drohnen genannt, bieten UAVs viele Vorteile: darunter hohe Flexibilität, Mobilität und in bestimmten Anwendungsfällen auch Kosteneffizienz. In den letzten Jahren haben die Fortschritte in der UAV-Technologie die Fähigkeiten von Drohnen enorm erweitert und damit ihr Potenzial für vielfältige Anwendungen erhöht.
Holger Schulze
2. Medizinische Drohnenlogistik als Teil einer Nachhaltigkeitsstrategie
Zusammenfassung
Der Begriff der Nachhaltigkeit wird in der Literatur sehr breit gefasst. Die Begrifflichkeit zu einer „nachhaltigen Entwicklung“ wurde erstmals 1987 im Brundtland-Report der World Commission on Environment and Development der Vereinten Nationen allseitig und umfassend definiert. Nachhaltigkeit wird beschrieben als „Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne die Bedürfnisse künftiger Generationen zu gefährden“. Die Definition berücksichtigt, dass nachhaltiger Fortschritt die Wirtschaft, die Umwelt und das soziale Wohlergehen gleichermaßen berücksichtigt. Der Begriff wurde im Folgenden angepasst und erweitert, wobei der ursprüngliche Gedanke unverändert blieb (Johnston et al. 2007).
Holger Schulze
3. Rechtliche Grundlagen
Zusammenfassung
In Deutschland ist das Umweltschutzrecht im Gegensatz zu anderen Ländern sehr komplex. Da es in Deutschland kein zentrales, alle anzuwendenden Vorschriften zusammenfassendes Umweltschutzgesetz gibt, sind die allgemeinen und speziell für die unbemannte Luftfahrt geltenden Vorschriften in unterschiedlichen Gesetzen und Verordnungen geregelt. Abhängig vom Bundesland können diese Regeln von den Gesetzen des Bundes abweichen. Für die unbemannte Luftfahrt gelten neben dem LuftVg, der LuftVo und der EU-Drohnenverordnung auch die den Umweltschutz betreffenden Gesetze und Verordnungen. Mit der neuen EU-Drohnenverordnung wurde die Anwendung der Umweltgesetze vereinfacht und die Zuständigkeit der Umweltschutzbehörden oberhalb einer Flughöhe von 100 m AGL eingeschränkt. Die schutzwürdigen Interessen müssen bei Überflug von Schutzgebieten aber auch weiterhin berücksichtigt werden. Schutzgebiete haben in Deutschland unterschiedlich hohe Schutzstufen. Davon abhängig werden für die unbemannte Luftfahrt Überflugregeln klassifiziert. Bei der Ermittlung der in einem Fluggebiet relevanten Schutzgebiete kann auf GIS-Portale des Bundes und der Länder zurückgegriffen werden.
Holger Schulze
4. Bauformen von Drohnen und ihr Einfluss auf die Umwelt
Zusammenfassung
Umgangssprachlich hat sich der Begriff „Drohnen“ für unbemannte Luftfahrzeuge durchgesetzt. Daneben haben sich Begriffe wie UAV („unmanned aerial vehicle“) für das unbemannte Fluggerät oder UAS („unmanned aircraft system“) für das gesamte System aus Drohne und Peripherie, wie Steuereinheiten und zum Beispiel Software, etabliert. Das Hauptkriterium eines UAS ist, dass das Fluggerät vom Piloten ferngesteuert wird. In den letzten Jahren wurden Drohnen in unterschiedlichen Bauformen mit verschiedenen Flugeigenschaften entwickelt. Dabei ist eine spezifische Bauform nicht für jeden Anwendungsfall gleich gut geeignet. Gängige Bauformen und die wesentlichen Eigenschaften lassen sich gruppieren. Die grundlegenden Bauformen sind der Multikopter, der Flächenflieger, der Helikopter und der VTOL-Gyrokopter. In der Analyse wird herausgearbeitet, dass der Flächenflieger aufgrund seines ökonomischen Vorwärtsflugs für die medizinische Logistik auf mittleren und langen Strecken die geeignetste Bauform ist. Bei der Beurteilung der Bauformen werden auch ökologische Aspekte, wie die Energieeffizienz und die Geräuschemission berücksichtigt
Holger Schulze
5. Entwicklungsrichtungen bei Drohnen und deren Umwelteffekte
Zusammenfassung
Die Entwicklung innovativer unbemannter Flugsysteme hat sich gerade in den letzten fünf Jahren erheblich beschleunigt. Eine Beurteilung der einzelnen Entwicklungen entsprechend ihrer Bedeutung oder ihrem Einfluss auf die Umwelt ist aufgrund der Komplexität nur bedingt möglich. Auch wenn derzeit die Erhöhung der Sicherheit und die Zuverlässigkeit der Systeme priorisiert werden, gewinnen Entwicklungen mit Fokus auf den Umweltschutz zunehmend an Bedeutung. Dabei geht es nicht nur um Anwendungen bei denen Drohnen eingesetzt werden, um Umweltgefahren zu erkennen oder zu beseitigen, auch sind beispielsweise die Entwicklung energieeffizientere Systeme und Luftfahrzeuge mit geringeren Geräuschemissionen Schwerpunkte in der Entwicklungsarbeit. Dabei kommen nicht nur Materialien und Antriebskonzepte auf den Prüfstand, auch sollen mit Hilfe von künstlicher Intelligenz Entscheidungsprozesse in der Flugvorbereitung und -durchführung optimiert werden. Ein gegenwärtig kontrovers diskutiertes Thema ist die Entwicklung und Implementierung sogenannter U-Spaces. Das U-Space-Konzept soll nach Willen des Gesetzgebers den Flugbetrieb vor allem von Drohnen im unteren bisher unkontrollierten Luftraum „Golf“ neu organisieren und damit die Sicherheit aller sich in diesem Luftraum bewegenden Luftfahrzeugen erhöhen. Für diese Luftverkehrskontrolle sollen private Betreiber lizensiert werden, die zur Finanzierung des Services Gebühren erheben sollen. Unabhängig der sich aus dieser Finanzierungsmethode ergebenden wirtschaftlichen Unwägbarkeiten, ist der vom Regulierer EASA geforderte Digitalisierungsgrad im U-Space enorm hoch. Bei Betrachtung der Komplexität ist darum zu befürchten, dass die Implementierung des angestrebte U-Space-Gesetzes allein schon an den noch zu entwickelnden komplexen Systemen scheitern könnte. Der U-Space-Provider benötigt für die Entwicklung eines Systems, die Lizenzierung und die Vorfinanzierung des laufenden Betriebs erhebliches Kapital. Das bedeutet, dass eine Übernahme des Services wahrscheinlich eher nur für Investoren oder Großkonzerne möglich sein wird. Die Gefahr einer Monopolisierung ist darum nicht zu unterschätzen. Zum Schutz der Umwelt könnte unabhängig der Betrachtung der Finanzierung und der Komplexität ein U-Space aber durchaus Sinn machen, wenn durch die damit aufgestellten Regeln der Umwelt- und Tierschutz jahreszeitlich und situationsbedingt flexibler durchgesetzt werden kann.
Holger Schulze
6. Energiespeicher
Zusammenfassung
Eine der größten Herausforderungen In der unbemannten Luftfahrt ist das Energiemanagement. Die richtige Auswahl des Antriebes und des Energiespeichers ist entscheidend für die mögliche Reichweite, Zuladung und am Ende die Wirtschaftlichkeit. Mit dem Ziel ein umweltfreundliches Transportmittel zu implementieren, müssen bisher eingesetzte auf fossilen Energieträgern basierende Antriebskonzepte durch nachhaltige Lösungen ersetzt werden. Die derzeit als Energiespeicher vor allem diskutierten Lithium-Ionen-Batterien und Wasserstoff werden auf ihre Eignung als Energiespeicher in der unbemannten Luftfahrt untersucht. Bei der Betrachtung des ökologischen Fußabdrucks wird ermittelt, dass unter der Berücksichtigung der Vorkettenprozesse und der Möglichkeit des Recyclings beide Energieträger nicht komplett CO2e-neutral produziert und eingesetzt werden können. Auch wenn die hohe gravimetrische Energiedichte von Wasserstoff diesen als Energieträger interessant erscheinen lässt, sind es vor allem die Rahmenbedingungen, wie die energieaufwendige Produktion, das schwierige Handling, der verlustreiche Transport und die Lagerung, die gegen den Einsatz von Wasserstoff allgemein in der Mobilität und speziell damit auch der unbemannten Luftfahrt sprechen. Es ist davon auszugehen, dass die derzeit vorrangig eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien noch einige Zeit der effektivste Energieträger für elektrisch angetriebene Drohnen sein werden. Zunehmend sind Versuche mit Hybrid-Antriebe zu beobachten, bei denen der primäre Akku während des Fluges permanent durch einen mit an Bord befindlichen Generator nachgeladen wird. Dieser Generator könnte beispielsweise grünen Flüssigbrennstoff mit einer höheren Energiedichte in Ladestrom umwandeln und so die Reichweite des Fluggerätes erhöhen.
Holger Schulze
7. Organisation von Transportgütern
Zusammenfassung
In der medizinischen Logistik werden entsprechend der BioStoffV vor allem als Gefahrstoff klassifizierte Substanzen transportiert. Die Mitnahme von Gefahrstoffen in einem unbemannten Luftfahrzeug ist grundsätzlich genehmigungspflichtig. Mit dem Transport von Gefahrstoffen sind gleichzeitig spezielle Anforderungen an Verpackung und Handling verbunden. Im Bereich der Drohnenlogistik haben Untersuchungen und praktische Versuche gezeigt, dass die herkömmlichen am Boden eingesetzte Verpackungslösungen aufgrund der bei einem potenziellen Absturz des Luftfahrzeuges wirkenden Kräfte ein Freisetzen des Transportgutes nicht sicher verhindern können. Aufgrund des in einer Drohne begrenzt zur Verfügung stehenden Transportvolumens, des möglichen Mitnahmegewichts und der potenziellen Krafteinwirkung, müssen die Verpackungen an das Luftfahrzeug angepasst werden. Dafür sind verstärkte Folientüten notwendig. Die Transportverpackungen können hinsichtlich ihrer Schutzwirkung als hochwirksam eingeschätzt werden, die eingesetzten Materialien sind dagegen ökologisch bedenklich. Die angestrebte Qualität der für die Verpackung verwendeten Folien verhindert den Einsatz von recycelten Materialien und erschwert auch die Wiederverwendung nach dem Gebrauch.
Für die Aufrechterhaltung der Qualität des Transportgutes sind vor allem die vorgegebenen Temperaturbereiche einzuhalten und Vibrationen zu vermeiden. Die Einhaltung der Kühlkette ist in der Drohnenlogistik aufgrund der notwendigen Miniaturisierung des Kühlsystems im Vergleich zum Bodentransports wesentlich komplexer. Eine grundsätzliche Empfehlung zum Einsatz eines aktiven oder passiven Kühlsystems kann nach Abwägung der jeweiligen Vor- und Nachteile nicht gegeben werden. Die letztendliche Auswahl des Kühlsystems hängt vor allem von den allgemeinen Umgebungstemperaturen im Fluggebiet, der Länge der Transportstrecke und von den technischen Parametern des Luftfahrzeugs selbst ab. Während des Transportvorganges sind Vibrationen zu berücksichtigen. In einigen Fällen kann durch Vibrationen die Struktur der zu transportierenden Stoffe nachteilig verändert werden, sodass diese Stoffe am Ende unbrauchbar werden. Beispielsweise kann eine beabsichtigte Laboranalyse zu falschen Ergebnissen führen oder eine als Emulsion verabreichten Medizin durch unerwünschte Frequenzen aufgeschäumt werden und damit die ursprünglich beabsichtigte Wirkung verlieren.
Holger Schulze
8. Einfluss von Drohnenflügen auf die Tierwelt
Zusammenfassung
Im Rahmen von behördlichen Zulassungsverfahren auf Genehmigung von Drohnenflüge außerhalb der Sichtweite werden mit Blick auf deren Umweltverträglichkeit vor allem Geräuschemissionen und Abschattungen betrachtet.
Zur Ermittlung der Geräuschemissionen wurde von der EASA ein Richtlinienvorschlag vorgelegt, der bei näherer Betrachtung in der Praxis eher schwierig umzusetzen ist. Die vorgeschlagene Messmethoden sind in der Praxis nur mit hohem Aufwand umsetzbar und die gewonnenen Ergebnisse schwer interpretierbar und klassifizierbar. Die gewonnenen Ergebnisse müssen darum als eher nicht praxisrelevant eingeschätzt werden. Als Alternative zur Verbesserung der Relevanz wird eine Permanentmessung an der Quelle, also am Fluggerät selbst, vorgeschlagen. Die Daten können so nicht nur einfacher erfasst, sondern gleichzeitig auch Wechselwirkungen mit Flugoperationen, Wetterbedingungen und beispielsweise Systemzuständen des Fluggerätes analysiert werden. Bei Messungen der Geräuschemissionen eines Flächenfliegers konnten die von der Drohne ausgehenden Geräusche nicht mehr von der allgemeinen Geräuschverschmutzung separiert werden. Angwendet wurde ein jetzt nicht mehr gültiges aber einfach umzusetzendes Messverfahren von Austro Control. Der Versuch fand auf einem Modellflugplatz in einer ländlichen Umgebung nördlich von Berlin statt.
Die Störwirkung eines Schattenwurfs eines Fluggerätes auf die am Boden lebende Tierwelt, wurde bisher vor allem auf der Basis von Denkmodellen untersucht. Um realitätsnähere Ergebnisse zu erhalten, wird in der 3D-Software „Blender“ der Schattenwurf eines Flächenfliegers in einer idealen Umgebung simuliert. Bei der üblichen Flughöhe von über 100 m AGL konnte in der im realen Maßstab durchgeführtem Simulation keine Abschattung ermittelt werden.
Die vorliegenden Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass Geräuschemissionen und Abschattungen im Normalflug eines Flächenfliegers eher keine relevanten Störgrößen sind.
Weitere Untersuchungen haben den Einfluss von Drohnenflügen auf Vögel am Boden und in der Luft zum Inhalt. Die Auswertung der bereits vorliegenden Untersuchungen hat ergeben, dass keines der angewendeten Flugmuster mit den Flugmustern in der medizinischen Logistik vergleichbar ist. Eine Schädigung der Vogelwelt ist nach der Einschätzung und den Erfahrungen von Drohnenpiloten bei einer vorausschauenden Flugplanung aber eher gering oder unwahrscheinlich. Bei der Analyse des Störpotenzials auf Vögel werden auch Erkenntnisse aus dem Training von Jagdfalken berücksichtigt.
Holger Schulze
9. Erkenntnisse aus Flügen bei der ASP-Bekämpfung
Zusammenfassung
In Deutschland und vor allem in einigen osteuropäischen Ländern stellt die Afrikanische Schweinepest (ASP) eine ernsthafte Bedrohung für die Haltung von Zucht- und Nutzschweinen und für die Landwirtschaft insgesamt dar. Vor allem durch Wildschweine, breitet sich die Seuche extrem schnell aus. Im Rahmen der Bekämpfung der Afrikanischen Schweinepest hat sich bei der Suche nach Schwarz- und Fallwild der Einsatz von Drohnen mit Wärmebildkameras bewährt. Dabei sind die bei der Suche gewählte Flughöhe von durchschnittlich 100 m AGL und das meist angewendete „Rasenmäher-Flugmuster“ mit Flügen in der medizinischen Logistik durchaus vergleichbar. Um die Auswirkung auf am Boden lebende Tiere zu untersuchen, wurden 667 Flüge, die im Rahmen der ASP-Bekämpfung durchgeführt wurden, ausgewertet. Dabei konzentrierten sich die Beobachtungen nicht auf spezifische Verhaltensreaktionen der Tiere. Das Ergebnis ist, dass während der Suche unabhängig der beobachteten Tierart keine Veränderungen in der Bewegung, Beschleunigung oder im Fluchtverhalten festgestellt werden konnte. Im gesamten Beobachtungszeitraum gab es ebenfalls keinen Vorfall in Form von Kollisionen, Angriffen, Scheinangriffen oder Fluchtverhalten von Vögeln. Alle beobachteten Tiere verhielten sich so, dass davon ausgegangen werden kann, dass von der Drohne keine visuellen oder akustischen Signale ausgehen, die von Tieren als störend wahrgenommen werden.
Holger Schulze
10. Umweltschonende Flugplanung
Zusammenfassung
Ein effektiver Umweltschutz beginnt bereits mit der Flugstreckenplanung. In der nahen Vergangenheit haben Umweltschutzbehörden mit Auflagen erheblich in die Flugplanung und in die Flugsicherheit eingegriffen. Aufgrund der vor allem in den Umweltbehörden nicht vorhandenen Erfahrung mit der Drohnentechnologie und oft unzutreffender theoretischer Annahmen, konnten sich Auflagen auch negativ auf die Umweltverträglichkeit von Drohnenflügen auswirken. In einzelnen Fällen sollten nicht nur Umweltstandards herabgesetzt werden, auch potenziell umweltschonende Drohnenflüge hätten durch die Umwelt belastendere bodengestützte Transporte ersetzt werden müssen.
Die von Umweltbehörden erlassene Auflagen werden kritisch analysiert. Es wird auf technische Grenzen der Drohnentechnologien, aber auch auf unzutreffend angwendete Studienergebnisse hingewiesen und praxisrelevante Umweltschutzmaßnahmen vorgeschlagen. In der Folge der Untersuchungen kann festgestellt werden, dass vor allem eine vorausschauende Flugplanung die wirksamste Methode zum Schutz der Umwelt und Tierwelt ist.
Holger Schulze
11. Fazit und Zusammenfassung
Zusammenfassung
Der Schutz der Umwelt hat sehr hohe Priorität und ist gesellschaftlicher Konsens. Die Art und Weise, wie er konkret umgesetzt werden sollte, ist dagegen oft strittig. Das vorrangige Ziel dieser Publikation war es, mit der Darstellung der komplexen Zusammenhänge in der Drohnenlogistik die Kommunikation zwischen den Antragstellern auf Zulassung von Drohnenflügen außerhalb der Sichtweite und den im Zulassungsprozess involvierten Behörden fachlich zu unterlegen und damit zu verbessern. Die Schwerpunkte lagen dabei auf der Darstellung des Einflusses speziell von Drohnenflügen in der medizinischen Logistik auf die Flora und Fauna sowie auf den Einflussgrößen, die den ökologischen Fußabdruck maßgeblich bestimmen und auf Möglichkeiten, wie dieser Fußabdruck aktiv verkleinert werden kann.
Holger Schulze
Backmatter
Metadaten
Titel
Ökologische Effekte durch Drohnen
verfasst von
Holger Schulze
Copyright-Jahr
2025
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-70921-4
Print ISBN
978-3-662-70920-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-70921-4

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