15. Dezember 2020

Mit Drohnen auf Spurensuche

Neuer Ansatz für die Erkundung von Seltenen Erden

Seltene Erden sind wichtige Rohstoffe für die Energiewende, die Elektromobilität und Zukunftstechnologien. Der Einsatz von Drohnen bietet eine einzigartige Möglichkeit, Seltene Erden auch in ökologisch sensiblen und schwer zugänglichen Gebieten schnell zu erkunden. Wissenschaftler*innen des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun zum ersten Mal Seltene Erden in ariden und subarktischen Umgebungen mithilfe von Drohnen-basierten Hyperspektraldaten direkt identifiziert und kartiert.


Mineralische Ressourcen werden immer knapper und sind schwerer zu finden. Gleichzeitig benötigen wir jedoch Rohstoffe, insbesondere Seltene Erden, um unser Ziel einer „grüneren“ Gesellschaft zu erreichen. Herkömmliche Erkundungsmethoden, insbesondere in abgelegenen Gebieten, sind allerdings kostspielig, zeitaufwändig und oft umweltschädlich. Die meisten Verfahren beruhen auf umfangreichen geologischen Feldforschungen, einschließlich vieler lokaler Probenahmen, bei denen die Analyseergebnisse in der Regel lange auf sich warten lassen.

Aus diesem Grund haben Wissenschaftler*innen aus Freiberg einen neuartigen Ansatz zum Nachweis und zur Bewertung von Lagerstätten Seltener Erden entwickelt. „Das Gebiet der Explorationstechnologien entwickelt sich derzeit rasant“, erzählt René Booysen, Wissenschaftlerin am HIF, Studentin der University of the Witwatersrand in Johannesburg (Südafrika) und Erstautorin der Veröffentlichung. „Wir setzen auf Drohnen mit Hyperspektralsensoren, um Seltene Erden an der Erdoberfläche zu erfassen.“ Nach Ansicht des zuständigen Abteilungsleiters, Dr. Richard Gloaguen, könnte dieser Ansatz die Erkundung effizienter und vor allem sozial und ökologisch akzeptabler gestalten.


Wie findet man Lagerstätten Seltener Erden?

Booysen und ihre Kolleg*innen zeigen, wie Drohnen-basierte Hyperspektraldaten in einem Explorationsansatz verwendet werden können, um das Vorkommen von Seltenen Erden direkt abzubilden. In diesem Zusammenhang spielen die Merkmale von Lagerstätten Seltener Erden eine wichtige Rolle. Die Forscher*innen nutzen die reflektierende Spektroskopie (HSI hyperspectral imaging – labor- oder bodengestützte hyperspektrale Bildgebung), um das chemische Element Neodym zu identifizieren. Neodym kann als Schlüsselelement für Seltene Erden verwendet werden, da es charakteristische Absorptionsmerkmale im Bereich des sichtbaren bis nahen Infrarotlichts des elektromagnetischen Spektrums aufweist.

Um sensorgestützte Erkundung in schwierigem Gelände zu ermöglichen, in dem Aufschlüsse zu Fuß oder mit Fahrzeugen nicht erreichbar sind, nutzte das Team Drohnen. Diese sind flexibel einsetzbar und gewährleisten die persönliche Sicherheit während der Erkundungskampagne. Außerdem kann die Erkundung wesentlich effizienter und schneller durchgeführt werden als mit herkömmlichen Verfahren. „Wir verwenden zwei Arten von Drohnen: einen Starrflügler zur schnellen Erfassung photogrammetrischer Daten als Grundlage für digitale Oberflächenmodelle und einen Multikopter für die HSI-Erfassung“, erklärt René Booysen. „Mit einem Starrflügler erfassen wir Nadir-Stereobilder. Dabei werden die Bilder mit einer tragbaren Schnappschusskamera in Lotrichtung unter dem Zenit aufgenommen. Diese Kamera bezeichnen wir auch als RGB-Kamera, da sie drei Bänder im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums für die sogenannte Structure-from-Motion Multi-Vision-Stereo Photogrammetrie erfasst. Mit dieser Methode können wir dreidimensionale Informationen durch die Überlappung zeitversetzter Bilder gewinnen. Auf diese Weise erhalten wir hyperskalige Landschaftsmodelle, die von einer Reihe von Digitalkameras und optional von einem Netzwerk aus Bodenkontrollpunkten aufgenommen wurden.“


10.000 Quadratmeter-Testfläche

Um ihre Fernsensortechniken zu testen, wählten die Forscher*innen zwei repräsentative Gebiete aus, die die Vielfalt der Umgebungen abbilden, in denen Seltene Erden zu finden sind. Einerseits den Alkali-Karbonatitkomplex Marinkas Quellen im Süden Namibias. Der größte Teil des Komplexes ist nicht mit dem Auto zugänglich und erfordert lange Fußmärsche, um die Zielgebiete zu erreichen. Karbonatit ist ein einzigartiger magmatischer Gesteinstyp, der mehr als 50 Prozent Karbonatmineralien enthält. Weiterhin besteht er aus Silikaten, Phosphatmineralien und Oxiden. Die Technologien wurden außerdem beim Karbonatitkomplex von Siilinjärvi in der Nähe des Polarkreises in Mittelfinnland getestet. Dieser ist einer der weltweit ältesten bekannten Karbonatite. In beiden Regionen wählten die Forscher*innen Untersuchungsgebiete von circa 10.000 Quadratmetern aus.

Dort erfassten die Wissenschaftler*innen hyperspektrale Daten mit einem rahmenbasierten Sensor, der auf einer Multi-Rotor-Plattform montiert war. Zusätzlich führten sie In-situ-Spektralmessungen mit einem tragbaren Kurzwellen-Infrarot-Feldspektrometer durch und nahmen Proben zur petrologischen und geochemischen Validierung. Mithilfe dieser Methoden erzeugte das Team noch vor Ort digitale Oberflächenmodelle und sogenannte Orthomosaike mit hoher räumlicher Auflösung, bei denen die Forscher*innen die einzelnen Aufnahmen der Drohnen zu einer einzigen Szene, also einer neuen größeren Fotokarte, zusammenfügen. „Unsere Lösung bietet den Vorteil schneller Durchlaufzeiten, niedrigschwelliger Erkennungsgrenzen und ist ideal zur Unterstützung aktiver Erkundungsarbeiten geeignet. Sie soll den Einsatz von Drohnen bei der Exploration und zur Überwachung der Bergbauaktivitäten fördern“, fasst René Booysen ihre Ergebnisse zusammen.
-> Zur News des HZDR.


Foto ©HZDR/René Booysen: A: Starrflügler zur schnellen Erfassung photogrammetrischer Daten als Grundlage für digitale Oberflächenmodelle; B: Multikopter für die Erfassung mittels hyperspektraler Bildgebung.

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