Frühwarnsystem mit Digitizer-Karte Messkarten überwachen gefährliche Vulkane

Pyroklastische Ströme kommen bei einem Vulkanausbruch auf Geschwindigkeiten von bis zu 600 km/h. Im Inneren des Stroms herrschen Temperaturen bis 800 °C. Zum Schutz der Menschen haben Forscher ein Frühwarnsystem mit PCIe-Messkarten aufgebaut.

Das Land Guatemala in Mittelamerika besitzt drei ständig aktive Vulkane, in deren direkter Umgebung sich viele Dörfer befinden. Hier hat ein Frühwarnsystem für Eruptionen eine entscheidende Bedeutung. Solche Systeme existieren bereits, aber die Vulkane in Guatemala stoßen pyroklastische Ströme (PDC) anstelle von Lava aus. Die extrem gefährlichen Wolken bestehen aus Gas, Gestein und Asche und bewegen sich mit bis zu 600 Stundenkilometern ins Tal. Die Temperatur im inneren des Stroms beträgt bis zu 800 °C.

Das jetzt entwickelte Frühwarnsystem besteht aus einem Radar im X/Ku-Band inklusive Reflektorschüsseln für das Senden und Empfangen. Das zurückkehrende Signal wird mit dem ausgehenden Signal verglichen, um ein Zwischenfrequenzsignal (ZF) zu erzeugen, welches Entfernungs- und Bewegungsinformationen über den pyroklastischen Strom am Vulkanhang enthält. Das ZF-Signal wird von der Digitizerkarte M2p.5921-x4 mit 20 MegaSamples pro Sekunde erfasst und mit Spectrums Messsoftware SBench 6 verarbeitet.

Mechanismen der pyroklastischen Ströme verstehen

„Wir sind gerade vom Aufbau des ersten Systems zurückgekehrt, das einen der Hänge des Vulkans Santiaguito überwacht“, berichtet Dr. Amin Amiri. „Dies ist die erste Forschung zu PDC-Ereignissen, die versucht, die Mechanismen der pyroklastischen Ströme zu verstehen. Wir nutzen einen seismischen Aktivitätsdetektor, der das Radarsystem einschaltet, wenn er eine Erschütterung erkennt.

Dadurch wird sichergestellt, dass wir nur relevante Daten zu einem PDC-Ereignis erfassen. Auf diese Weise schonen wir auch die Batterien, die tief im Dschungel Guatemalas stehen und von Solarpanels aufgeladen werden. In ein paar Monaten werden wir zurückkommen, um die gespeicherten Daten zu entnehmen und zwei weitere Systeme zu installieren, welche die anderen beiden Vulkanhänge überwachen sollen.“

Das ursprüngliche Design des Warnsystems sollte in einer Entfernung von vier Kilometern vom Ziel funktionieren, aber da das Gelände im Dschungel nicht geeignet war, musste das Setup auf einer sechs Kilometer entfernten Hügelkette aufgestellt werden. Durch diese 50-prozentige Zunahme der Entfernung befürchtete das Team eine geringere Empfindlichkeit des Systems. Mithilfe einer Drohne, die als bewegliches Ziel über die Baumwipfel des Dschungels bis zum Vulkanhang flog, konnte festgestellt werden, dass die angestrebte Sensitivität trotz größerer Distanz in vollem Umfang vorhanden war.

A/D-Wandlerkarte mit niedrigem Grundrauschen

„Die hohe Empfindlichkeit ist der Schlüssel zum Erfolg dieses Frühwarnsystems“, erklärt Dr. Amiri. „Wir haben die A/D-Wandlerkarte von Spectrum getestet und festgestellt, dass sie ein unglaublich niedriges Grundrauschen von -100 dBm hat. So konnten wir ein MTI-System bauen (Moving Target Indicator), das kleinste Bewegungen des Vulkans erkennen kann, denn dies sind die ersten Anzeichen eines PDC-Ereignisses.“

Die größten Herausforderungen für das Team waren die Hitze, die Feuchtigkeit und die Stechmücken. Aber auch die gesamte Elektronik musste vor den widrigen Bedingungen im Dschungel geschützt werden. Die Wissenschaftler verwenden eine komplett geschlossene Metallbox, um Feuchtigkeit, Regen und Wildtiere abzuhalten. Durch die fehlenden Luftlöcher wird aber die Kühlung der Elektronik eine Herausforderung, da die Temperatur im Dschungel fast immer 35 °C übersteigt.

Großer Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich

Ein schattenspendendes Blechdach und ein Ventilator innerhalb der Box sind erste Maßnahmen. Das Team arbeitet jetzt an Verbesserungen für die nächsten Systeme, wie zum Beispiel Kühlrippen auf der Oberseite der Box oder einem solarbetriebenen Kühlschrank. „Ein entscheidender Faktor bei der Auswahl der Messkarte von Spectrum Instrumentation war, dass sie für einen großen Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich ausgelegt ist. Außerdem verfügt sie über eine thermische Abschaltung, wenn die Umgebung zu heiß wird“, sagt Dr. Amiri.

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