Hoe breng je iets in kaart dat zowel onzichtbaar als geurloos is? Onderzoekers van de Universiteit van Oslo hebben drones getraind om zelf de beste plekken te vinden om broeikasgassen te meten.

"Het schatten van dergelijke gasstromen is niet eenvoudig. We lopen echt voorop in wat er op dit gebied wordt gedaan", zegt Ph.D. kandidaat Alouette van Hove bij de afdeling Geowetenschappen van de UiO.

Stel je de toendra op Spitsbergen voor. Of de uitgestrekte, bevroren veengebieden van Siberië. Duizenden jaren lang heeft de permafrost ervoor gezorgd dat de koolstof in de moerassen ongestoord bleef, maar nu wordt het warmer. Methaan en CO₂ gas vrijkomt. Nu stijgen de gassen uit de grond de atmosfeer in.

"Het in kaart kunnen brengen van de fluxen of uitwisselingen van broeikasgassen op het aardoppervlak is noodzakelijk om de kwaliteit van klimaatmodellen te garanderen en te kalibreren", zegt van Hove.

Kilometer na kilometer veengebied. Hier, tussen de veengrond en de lucht erboven, vindt een uitwisseling, een flux, van gassen plaats. Het zijn belangrijke onderdelen van de mondiale klimaatvergelijking, maar de schattingen die de onderzoekers in klimaatmodellen gebruiken zijn onzeker.

Het feit dat de gassen verdunnen zodra ze in de lucht komen en door weer en wind worden meegevoerd, maakt het er niet makkelijker op. Een deel van de oplossing zou kunnen zijn om de uitstoot dicht bij de grond te meten, met behulp van drones.

"Wat we kunnen doen is de fluxen schatten door observaties te doen. Op deze manier kunnen we de modellen aanpassen met daadwerkelijke metingen", zegt van Hove.

Intelligente meetsystemen

Stel je voor dat het jouw taak is om deze gasstromen te meten. Maar het gebied waar je overheen kijkt is honderden vierkante kilometers groot. Waar zijn ze? Waar moet je meten?

“De gassen zijn onzichtbaar en ruiken niet. Ze kunnen alleen worden gedetecteerd met een gasanalysator. Maar als je een oppervlakte hebt van 100 x 100 vierkante kilometer, kun je niet elke meter onderzoeken”, zegt onderzoeker Norbert Pirk.

Hij leidt het onderzoeksproject ACTIVATE, wat staat voor "Actief leren van experimenteel ontwerp in terrestrische klimaatwetenschap." Het project heeft tot doel intelligente meetsystemen te onderzoeken en te ontwikkelen voor gebruik in klimaatonderzoek.

Voor het uitvoeren van de atmosferische metingen worden drones ingezet. Deze zullen worden gebruikt om de uitwisseling van koolstof, water en energie tussen het aardoppervlak en de atmosfeer te schatten. De metingen worden gecombineerd met gegevens van satellieten, maar ook van mobiele of stationaire meetinstallaties.

"Wij houden ons bezig met de interactie tussen het aardoppervlak en de atmosfeer. Daartussen vindt een uitwisseling van belangrijke broeikasgassen plaats. Deze uitwisseling is niet homogeen over de hele wereld verdeeld. Het vindt doorgaans plaats op plaatselijke 'hotspots'. Deze moeten we vinden", zegt Pirk.

Met de wind mee

De onderzoekers doen mee aan de jacht op dergelijke hotspots en beschikken over het Drone Lab van de Universiteit van Oslo. Hier staan ​​verschillende drones klaar om op missie te gaan in dienst van het klimaatonderzoek. Maar eerst hebben ze training nodig. Ph.D. Daar heeft kandidaat Van Hove voor gezorgd.

“Je kunt niet zomaar een gebied ingaan en met de drone een sweep doen. Er is simpelweg te veel om te meten. Bovendien zorgen de weersomstandigheden ervoor dat als je tien minuten later gaat meten, alles er anders uitziet”, zegt van Hove.

Om de meest nauwkeurige schatting van de gasstromen te krijgen, moeten ze metingen uitvoeren op de meest informatieve plaatsen en tijden.

"We moeten de tijd die we met de drone gebruiken optimaliseren", zegt van Hove.

Ze heeft een methode ontwikkeld waarbij ze gebruik maken van beloningsgestuurd leren ('reinforcement learning') om de drones te trainen zodat ze weten waar ze moeten zoeken naar de beste plaatsen om te meten.

"Om de drones te trainen creëren we een kunstmatige omgeving, waar de drones kunnen oefenen. Ze krijgen een beloning elke keer dat ze een beweging maken die nuttig blijkt te zijn."

Zo kan de drone leren of het een goede beslissing was om de ene kant op te draaien in plaats van de andere kant.

"Het is te vergelijken met het trainen van honden. We gebruiken beloningen om de drone te trainen om de beste actie te kiezen", zegt van Hove.

Probeert, faalt en leert

In de praktijk gebeurt dit allemaal binnen een computerprogramma, waarbij de ‘beloningen’ van de drones niets meer zijn dan een specifieke functie in het programma. De drones worden uitgevoerd in ‘trial and error’-experimenten, waarbij de drone binnen een bepaald gebied kan bewegen. In dit gebied kunnen de drones een bepaald aantal acties uitvoeren (vooruit, achteruit, omhoog, omlaag, etc.), maar ze mogen het gebied niet verlaten.

"Er worden dus 'beloningen' gegeven voor keuzes van acties die na een bepaalde tijd leiden tot een resultaat dat zo dicht mogelijk bij de waarheid ligt, namelijk de gasstroom", zegt van Hove.

Door middel van experimenten heeft Van Hove kunnen aantonen dat dergelijke getrainde drones dergelijke hotspots van CO₂ kunnen vinden en meten emissies nauwkeuriger dan wanneer de drone een voorgeprogrammeerde zoekopdracht uitvoert. Dit gebeurt ook al is de drone in de voorgeprogrammeerde zoekactie ingesteld om over de CO₂ te vliegen bron.

"We hebben laten zien dat het mogelijk is drones te trainen om een ​​parameter te schatten, zonder dat je vooraf kennis hoeft te hebben van de werkelijke waarde van de parameter", zegt van Hove.

Nu worden de getrainde drones in de praktijk getest. Binnenkort nemen Pirk en van Hove twaalf drones mee naar Spitsbergen.

"Nu gaan we de drones in het veld testen. Daarna gaan ze oefenen met het nemen van beslissingen terwijl ze in de lucht zijn", zegt Pirk.

Het doel is om de drones aan het werk te kunnen zetten bij verschillende observatoria in het Noordpoolgebied, waar momenteel een bijzonder gebrek aan observatiegegevens is.

“Het ACTIVATE-project zal een looptijd van vijf jaar hebben, en ik denk dat de meetcampagnes in de loop van het project groter en complexer zullen worden”, zegt Pirk, die voor ogen heeft dat er in de zomer van 2025 twaalf drones operationeel zullen zijn op Spitsbergen.

Aangeboden door Universiteit van Oslo