Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska
1. Wstęp
Bezzałogowe statki powietrzne (potocznie drony, BSP, ang. Unmanned Aerial Vehicle - UAV) oraz badania z nimi związane są dziedziną bardzo intensywnie rozwijaną w ostatnich latach. Umożliwiają między innymi dostęp do trudnodostępnych miejsc oraz pozwalają na bezpieczniejsze, dla operatora, pobieranie próbek środowiskowych. Składają się z platformy latającej, zazwyczaj z silnikiem, układem sterowania, czujnikami i różnymi urządzeniami pomiarowymi. Drony mają potencjał do przeprowadzania różnych działań, takich jak monitorowanie zanieczyszczeń powietrza, szacowanie emisji gazów cieplarnianych lub dokładne badanie jakości wód. Mogą być wyposażone w czujniki do wykrywania i pobierania próbek substancji chemicznych, w tym substancji lotnych, co umożliwia szybkie i precyzyjne monitorowanie środowiska i warunków atmosferycznych, w tym kontroli jakości powietrza. Zastosowania dronów mają na celu poprawę precyzji, skrócenie czasu reakcji oraz poprawienie dostępu do obszarów trudno dostępnych lub niebezpiecznych dla człowieka. Drony stanowią innowacyjne narzędzia, które mogą przyczynić się do postępu w wielu dziedzinach życia, zapewniając efektywne i bezpieczne rozwiązania. Potencjał dronów w różnego typu zastosowaniach, starano się przedstawić w poniższym artykule [1].
Bezzałogowy statek powietrzny, potocznie określany jako „dron”, to obiekt, który z reguły jest niewielkich rozmiarów i może być sterowany zdalnie, bądź może latać po zaprogramowanej trasie. Urządzenia te mogą być komercyjne jak np. DJI Phantom 4 PRO V2.0 lub budowane samodzielnie. Istnieje również możliwość modyfikacji dronów komercyjnych, w celu lepszego dostosowania do poszczególnych celów.
2. Kategorie operacji dronów
Urząd Lotnictwa Cywilnego podzielił operacje bezzałogowych statków powietrznych na kategorie otwartą, szczególną oraz certyfikowaną [4]. Kategorie operacji bezzałogowych statków latających, dronów, są szczegółowo zdefiniowane przez Międzynarodową Organizację Lotnictwa Cywilnego (ICAO). Kategorie te mają na celu regulację i klasyfikację operacji dronów w celu zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. W zależności od kategorii, operatorzy dronów muszą przestrzegać określonych przepisów, uzyskać odpowiednie zezwolenia i podjąć odpowiednie środki ostrożności, aby zminimalizować ryzyko dla osób i mienia. Kategoria otwarta wiąże się z najniższym ryzykiem, przez co nie wymaga składania oświadczeń lub uzyskania zezwoleń od Urzędu Lotnictwa Cywilnego. Pozwala ona na lot BSP o masie poniżej 25 kg i nie wyżej niż 120 metrów nad ziemią. Operacje w tej kategorii muszą być wykonywane w zasięgu wzroku operatora bądź obserwatora, który pomaga w wykonywaniu misji. Kategoria otwarta dzieli się na trzy podkategorie:
• A1- kategoria dopuszcza lot nad pojedynczymi osobami, ale nie nad zgromadzeniami;• A2- kategoria pozwala zbliżyć się bliżej do osób (do 30 m lub 5 m, jeśli dron posiada funkcję ograniczającą prędkość lotu) z określonymi zasadami, ale wymaga dodatkowego szkolenia praktycznego i egzaminu w formie kontrolowanej;
• A3- kategoria zabrania lotów nad osobami oraz zgromadzeniami, a operacje muszą odbywać się w odległości 150m w poziomie od miejsc w których mogą znajdować się ludzie.
Loty w ramach kategorii otwartej muszą zostać zgłoszone przez operatora BSL, przez dokonanie tzw. check-in w aplikacji DroneRadar, w której wpisuje się dane operatora, planowany czas operacji, kategorię lotu i maksymalną wysokość lotu mierzoną od powierzchni ziemi.
Kategoria szczególna dotyczy operacji o średnim ryzyku, w przypadku której loty wykraczają poza kategorię otwartą. Przed wykonaniem operacji, operator musi wykonać ocenę ryzyka. W tej kategorii możliwe są już loty poza zasięgiem wzroku oraz loty nad ludźmi.
Kategoria certyfikowana dotyczy operacji o wysokim ryzyku. Dotyczy ona lotów nad zgromadzeniami lub przewozem osób, albo przewozem materiałów niebezpiecznych, które mogą stwarzać ryzyko dla osób postronnych.
BSP zostały podzielone na klasy od C0 do C4, których podział został przedstawiony w Tabela 1 [4]. Ponadto wyróżnia się jeszcze klasy C5 i C6, które dotyczą dronów wykorzystywanych w lotach w kategoriach szczególnych i certyfikowanych.
Tabela 1. Przdestawnienie podstawowych różnic pomiędzy kategoriami C0-C4.
* maksymalny typowy wymiar nie może przekraczać 3 [m]
** statek bezzałogowy powietrzny musi być wyposażony w tryb niskiej prędkości ograniczający prędkość do 3 [m/s]
Ponadto klasa C4 różni się od klasy C3 tym, że te drony nie posiadają trybów automatycznego lotu.
Aktualnie żaden dostępny na rynku „dron” nie ma nadanej klasy. Przepisy przejściowe, które miały obowiązywać do 31.12.2022, zostały wydłużone o rok. Według tych przepisów, BSP klasyfikuje się wyłącznie według wagi urządzenia i na jej podstawie przydziela się odpowiednie kategorie operacji, które zamieszczono w poniższej tabeli.
Tabela 2. Przedstawienie tzw. przepisów przejściowych.
3. Zastosowania dronów w analityce
Próbki ciekłe i stałe
Jednym z ciekawszych zastosowań dronów w analityce próbek ciekłych i stałych jest analiza wód powierzchniowej. Stosuje się zarówno drony wykonane samodzielnie, jak i drony komercyjnie dostępne na rynku zmodyfikowane przez dodanie układu pomiarowego. W Idaho zastosowano drona DJI M600 doposażonego w płytkę Raspberry 4 z zestawem czujników firmy Atlas Scientific do pomiaru temperatury, pH, przewodności elektrycznej oraz stężenia rozpuszczonego tlenu w wodzie. Próbkę pobierano z pomocą wydrukowanego w technologii druku 3D samplera. Proces pobierania próbki trwał około 2-3 s, następnie do 30 s zajmowała analiza pobranej próbki. Maksymalna możliwa masa próbki wynosiła 1 kg, tak pobraną próbkę można było przeznaczyć do dalszych analiz (np. na zawartość fosforu czy pomiar biochemicznego zapotrzebowania tlenu) [5].
Na Uniwersytecie Clemsona do analogicznych badań zastosowano samodzielnie skonstruowanego BSP z zestawem czujników tej samej firmy. Różniła się tutaj jednak maksymalna ilość pobranej próbki (maksymalnie 3 próbki po 130 ml), co pozwalało zbadać w trakcie jednego lotu maksymalnie trzy punkty pomiarowe nie mieszając pobranych próbek. Układ pobierania pozwalał na wybór głębokości pobrania próbki od 0,5 m do 3 m. Parametry oznaczano in situ w czasie do 60 s [3]. W poniższej tabeli przedstawiono inne przykłady zastosowań dronów w analityce próbek ciekłych i stałych.
Tabela 3 Zastosowanie „dronów” w analityce próbek ciekłych i stałych.
Próbki gazowe
Bezzałogowe statki powietrzne można wykorzystywać również do analizy próbek gazowy. Badania mogą być przeprowadzane od razu przy użyciu czujników lub wykorzystanie BSP może polegać wyłącznie na pobraniu próbek [14].
Przykładem analizy bezpośredniej, wykonywanej od razu na BSP może być badanie aktywności wulkanów. Polega to na analizie stosunku dwutlenku węgla do dwutlenku siarki, którego zmiana może świadczyć o zbliżającej się erupcji. W badaniu „Observing volcanoes with drones: studies of volcanic plume chemistry with ultralight sensor systems” wykorzystano czujnik S300 CO2 ELT Sensors do pomiaru CO2 oraz Alphasense SO2-B4 do pomiarów SO2. Dodatkowo BSP wyposażono w moduł GPS oraz BME280 służący do pomiarów temperatury, wilgotności i ciśnienia. Wszystko było połączone z mikrokontrolerem ESP 32 i zamontowane na dronie DJI Mavic 3, do którego została wydrukowana na drukarce 3D specjalna platforma. Dzięki zastosowaniu BSP możliwe jest prowadzenie analizy w miejscach trudno dostępnych dla człowieka i precyzyjniejsze analizowanie dymu wydobywającego się z krateru wulkanicznego. Dużą zaletą w wykorzystaniu BSP do tych celów jest niski koszt inwestycyjny oraz uprawnienia jedynie na kategorię A1, dzięki czemu rozwiązanie te może się sprawdzać w uboższych krajach. Wadą dronów jest krótki zasięg, przez co operator BSP musi dostać się z całą aparaturą bardzo blisko wulkanu, gdzie dojazd samochodem jest bardzo często niemożliwy.
Istnieje również możliwość wykorzystania dronów wyłącznie do pobierania próbek. Na taki pomysł wpadli naukowcy z Taiwanu, którzy przy wykorzystaniu dronów pobierali próbki lotnych związków organicznych LZO z terenów przemysłowych w pobliżu miasta Kaohsiung. Pobranie próbki polegało na zaadsorbowaniu LZO na diwinylobenzenie DVB. Następnie próbka w laboratorium poddawana była desorpcji i analizowana na chromatografii gazowej oraz spektrometrii masowej. Adsorbent umieszony był w mikropróbniku podobnym do igły, który znajdował się na specjalnym wysięgniku w celu ograniczenia wpływu przepływu powietrza spowodowanego ruchem śmigieł. Dzięki zastosowaniu tej metody można wykorzystać BSP do monitorowania zanieczyszczeń środowiska oraz do lokalizowania źródeł zanieczyszczeń z fabryk przemysłowych. Dodatkowo wykorzystanie DVB jest przyjazne środowisku, ponieważ absorbent może być stosowany wielokrotnie.
Tabela 4. Zastosowanie „dronów” w analityce próbek gazowych.
4. Zastosowanie medyczne
Wraz z wzrostem popularności oraz dostępności BSP wyłonione zostały nowe obiecujące zastosowania w wielu dziedzinach. Jedną z obiecujących perspektyw wykorzystania bezzałogowych statków powietrznych jest ich zastosowanie w medycynie, z których głównymi są transport zaopatrzenia, dostawy leków i zapasów, poszukiwania oraz ratownictwo [25].
Powszechnym zastosowaniem bezzałogowych statków powietrznych w medycynie jest dostarczanie paczek pielęgnacyjnych dla potrzebujących do miejsc ciężko dostępnych, takich jak obszary zniszczone przez katastrofy naturalne lub odległe od sieci wsparcia obszary zamieszkane. Przykładem wykorzystania dronów dostawczych jest wprowadzony w październiku 2016 roku w Rwandzie system dostaw zaopatrzenia medycznego. Z powodu znacznych odległości między szpitalami oraz braku odpowiedniej infrastruktury dostawy naziemne wiązały się z wielogodzinnymi niebezpiecznymi przejazdami. Problemy te ominięto za sprawą zastosowania dronów marki Zipline, które dostarczają zaopatrzenie z centrum dystrybucji w Muhanga do 21 szpitali znajdujących się w odległości do 75 km [26], [27].
BSP w medycynie podobnie jak w analityce służą do zbierania informacji głównie w postaci danych wizualnych, ale również pobierania próbek z miejsc ciężko dostępnych lub niebezpiecznych. Do stosowanych w tych celach BSP należą drony marki Flyability z serii Elios, zaprojektowane do stosowania w zamkniętych niebezpiecznych przestrzeniach, drony z tej serii wyposażone są w zabezpieczające przed kolizją obudowy oraz modułowe komory ładunkowe [25].
Kolejnym przykładem wykorzystania bezzałogowych statków powietrznych może być szybkie dostarczenie adrenaliny dla osób, które doznały wstrząsu anafilaktycznego. Co prawda osoby, które mają alergie mogące spowodować gwałtowną reakcję organizmu zwykle mają przy sobie dawkę adrenaliny, to jak wykazują badania u części pacjentów konieczne jest podanie drugiej dawki w ciągu 5-15 minut od podania pierwszej i to w tym przypadku zastosowanie BSP może być bardzo przydatne. Testy przeprowadzono w Wielkiej Brytanii z wykorzystaniem drona Clogworks Dark Matter HX Drone i automatycznych jednorazowych wstrzykiwaczy EpiPen® i wykazały one, że dostarczanie w ten sposób adrenaliny jest bezpieczne i nie powoduje utraty właściwości leku [28].
Bezzałogowe statki powietrzne mogą znaleźć szerokie zastosowanie w analityce chemicznej. Najważniejszym ich zadaniem mogłoby być transportowanie próbek do laboratorium z odległych budynków na terenie zakładu, dzięki czemu możliwe byłoby szybsze otrzymywanie wyników czy mniejsze ryzyko uszkodzenia/zanieczyszczenia pobranej próbki[29]. Z wyżej wymienionych zastosowań najciekawsze są te dotyczące pobierania próbek wody i powietrza. Dzięki mnogości dostępnych na rynku czujników możliwe jest oznaczenie wielu składników już w momencie pobierania próbki bez jej przewożenia do profesjonalnego laboratorium.
BSP mogą zostać wykorzystane w medycynie, gdzie mogą służyć między innymi do dostarczania pacjentom leków z apteki, ograniczając tym samym kontakt z osobami chorymi. Sprawdzą się również w przypadku szybkiego reagowania, gdzie dostarczenie leku musi być jak najszybsze, tak jak opisane to zostało w przypadku dostarczania adrenaliny [28]. Jednakże jest jeszcze długa droga, żeby BSP w służbie zdrowia stały się codziennością, co potwierdziło badanie przeprowadzone w 2021 roku. Udział w próbie wykorzystania dronów do celów medycznych wzięło 36 uczestników, w tym lekarze, pielęgniarze, aptekarze. Potwierdziło to możliwość wykorzystania BSP w leczeniu domowym, lecz również wskazało elementy, które należy dopracować, jak między innymi odporność na warunki atmosferyczne, czy problemy z aplikacją obsługującą drony [30].
Podziękowania
Autorzy dziękują za udzielone wsparcie finansowe Politechnice Gdańskiej przez grant DEC-24/2022/IDUB/III.4.1/Tc w ramach programu Technetium – „Inicjatywa Doskonałości - Uczelnia Badawcza”
Literatura
[1] J. Burgués and S. Marco, ‘Environmental chemical sensing using small drones: A review’, Sci. Total Environ., vol. 748, p. 141172, Dec. 2020.
[2] ‘Phantom 4 Pro - DJI’. .
[3] C. Koparan, A. B. Koc, C. V. Privette, and C. B. Sawyer, ‘Autonomous In Situ Measurements of Noncontaminant Water Quality Indicators and Sample Collection with a UAV’, Water 2019, Vol. 11, Page 604, vol. 11, no. 3, p. 604, Mar. 2019.
[4] ‘Rozporządzenie delegowane 2019/945 w sprawie bezzałogowych systemów powietrznych oraz operatorów bezzałogowych systemów... - OpenLEX’. .
[5] J. H. Ryu, ‘UAS-based real-time water quality monitoring, sampling, and visualization platform (UASWQP)’, HardwareX, vol. 11, p. e00277, Apr. 2022.
[6] U. yunus O. (Istambul U. Maliheh Arekhi (İstanbul University-Cerrahpaşa), ‘Exploring NDVI Data Continuity between Landsat 8 OLI and Sentinel-2A MSI in a Temperate Forest District’. .
[7] Z. Kavoosi, M. H. Raoufat, M. Dehghani, J. Abdolabbas, S. A. Kazemeini, and M. J. Nazemossadat, ‘Feasibility of satellite and drone images for monitoring soil residue cover’, J. Saudi Soc. Agric. Sci., vol. 19, no. 1, pp. 56–64, Jan. 2020.
[8] P. Tripicchio, M. Satler, G. Stefanini, G. Dabisias, E. Ruffaldi, and C. A. Avizzano, ‘Towards Smart Farming and Sustainable Agriculture with Drones’.
[9] C. Koparan, A. B. Koc, C. V. Privette, and C. B. Sawyer, ‘In Situ Water Quality Measurements Using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) System’, Water 2018, Vol. 10, Page 264, vol. 10, no. 3, p. 264, Mar. 2018.
[10] M. Messinger and M. Silman, ‘Unmanned aerial vehicles for the assessment and monitoring of environmental contamination: An example from coal ash spills’, Environ. Pollut., vol. 218, pp. 889–894, Nov. 2016.
[11] E. J. Kim, S. H. Nam, J. W. Koo, and T. M. Hwang, ‘Hybrid Approach of Unmanned Aerial Vehicle and Unmanned Surface Vehicle for Assessment of Chlorophyll-a Imagery Using Spectral Indices in Stream, South Korea’, Water 2021, Vol. 13, Page 1930, vol. 13, no. 14, p. 1930, Jul. 2021.
[12] M. Mahdianpari et al., ‘Mapping land-based oil spills using high spatial resolution unmanned aerial vehicle imagery and electromagnetic induction survey data’, JARS, vol. 12, no. 3, p. 36015, Sep. 2018.
[13] P. G. Martin, O. D. Payton, J. S. Fardoulis, D. A. Richards, and T. B. Scott, ‘The use of unmanned aerial systems for the mapping of legacy uranium mines’, J. Environ. Radioact., vol. 143, pp. 135–140, May 2015.
[14] B. Szulczyński et al., ‘Different ways to apply a measurement instrument of E-nose type to evaluate ambient air quality with respect to odour nuisance in a vicinity of municipal processing plants’, Sensors (Switzerland), vol. 17, no. 11, pp. 8–11, 2017.
[15] U. Uknowledge and T. J. Schuyler, ‘Applications of Drones in Atmospheric Chemistry’, Theses Diss., Jan. 2020.
[16] N. Karbach, N. Bobrowski, and T. Hoffmann, ‘Observing volcanoes with drones: studies of volcanic plume chemistry with ultralight sensor systems’, Sci. Reports 2022 121, vol. 12, no. 1, pp. 1–7, Oct. 2022.
[17] W. H. Cheng and C. S. Yuan, ‘Using a Micro Sampler on a Drone to Extract Organic Vapors—A Case Study of Monitoring Industrial Pollution’, Aerosol Air Qual. Res., vol. 21, no. 2, p. 200359, Feb. 2021.
[18] E. Kuantama, R. Tarca, S. Dzitac, I. Dzitac, T. Vesselenyi, and I. Tarca, ‘The Design and Experimental Development of Air Scanning Using a Sniffer Quadcopter’, Sensors 2019, Vol. 19, Page 3849, vol. 19, no. 18, p. 3849, Sep. 2019.
[19] P. Haas, C. Balistreri, P. Pontelandolfo, G. Triscone, H. Pekoz, and A. Pignatiello, ‘Development of an unmanned aerial vehicle UAV for air quality measurements in urban areas’, 32nd AIAA Appl. Aerodyn. Conf., 2014.
[20] T. F. Villa, F. Salimi, K. Morton, L. Morawska, and F. Gonzalez, ‘Development and Validation of a UAV Based System for Air Pollution Measurements’, Sensors 2016, Vol. 16, Page 2202, vol. 16, no. 12, p. 2202, Dec. 2016.
[21] O. Alvear, N. R. Zema, E. Natalizio, and C. T. Calafate, ‘Using UAV-based systems to monitor air pollution in areas with poor accessibility’, J. Adv. Transp., vol. 2017, Aug. 2017.
[22] G. Rohi, O. Ejofodomi, and G. Ofualagba, ‘Autonomous monitoring, analysis, and countering of air pollution using environmental drones’, Heliyon, vol. 6, no. 1, p. e03252, Jan. 2020.
[23] H. J. Jumaah, B. Kalantar, S. Mansor, A. A. Halin, N. Ueda, and S. J. Jumaah, ‘Development of UAV-Based PM2.5 Monitoring System’, Drones 2021, Vol. 5, Page 60, vol. 5, no. 3, p. 60, Jul. 2021.
[24] W. Thielicke, W. Hübert, U. Müller, M. Eggert, and P. Wilhelm, ‘Towards accurate and practical drone-based wind measurements with an ultrasonic anemometer’, Atmos. Meas. Tech., vol. 14, no. 2, pp. 1303–1318, Feb. 2021.
[25] M. Balasingam, ‘Drones in medicine—The rise of the machines’, Int. J. Clin. Pract., vol. 71, no. 9, p. e12989, Sep. 2017. [26] ‘How the Pharmaceutical Industry Is Using Drones | MFE Inspection Solutions’. .
[27] E. Ackerman and E. Strickland, ‘Medical delivery drones take flight in east Africa’, IEEE Spectr., vol. 55, no. 1, pp. 34–35, Jan. 2018.
[28] S. Beck et al., ‘An evaluation of the drone delivery of adrenaline auto-injectors for anaphylaxis: Pharmacists’ perceptions, acceptance, and concerns’, Drones, vol. 4, no. 4, pp. 1–21, 2020.
[29] F. M. Fung and S. Watts, ‘The application of drones in chemical education for analytical environmental chemistry’, ACS Symp. Ser., vol. 1270, pp. 155–169, 2017.
[30] T. Wasilewski and J. Gębicki, ‘Emerging strategies for enhancing detection of explosives by artificial olfaction’, Microchem. J., vol. 164, no. February, 2021.
