DE102017008875B3

DE102017008875B3 - Flugfähige Vorrichtung und Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft

Info

Publication number: DE102017008875B3
Application number: DE102017008875.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-23
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: DE202017002114U1; DE102017008876A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln (2) aus der Luft, wobei die Vorrichtung (1) ein unbemanntes Fluggerät (10) und eine darauf angeordnete Sammeleinrichtung (20) zum Einsammeln der Aerosolpartikel (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (10) ein Drehflügler ist, dass die Sammeleinrichtung (20) einen Lufteinlass (22), eine Abscheideeinheit (24) zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel (2) und ein Gebläse (26) aufweist, und dass die Abscheideeinheit (24) einen Prallabscheider (30) aufweist, mittels dem die einzusammelnden Aerosolpartikel (2) auf einer Prallfläche (32) aus der Luft abscheidbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine flugfähige Vorrichtung und ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft, insbesondere zum Einsammeln von festen Aerosolpartikeln aus der Luft.
Die uns umgebende Atmosphären- oder Raumluft bildet ein Aerosol, d. h. ein Zweiphasensystem bestehend aus einer Gas- und einer Partikelphase mit festen oder flüssigen Partikeln, beispielsweise Pollenkörner, Sporen oder Feinstaub. Die Bestimmung dieser Aerosolpartikel nach Typ und Konzentration ist für viele wissenschaftliche und anwendungstechnische Disziplinen von Interesse.
In der Landwirtschaft ist beispielsweise die Konzentration von Pollenkörnern nicht nur im Hinblick auf den Ertrag von Nutzpflanzen von Bedeutung, sondern auch betreffend die Ausbreitung von schädlichen Pilzsporen oder von genetisch verändertem Pflanzenmaterial durch die Atmosphärenluft. Zur Bestimmung der Konzentration dieser Aerosolpartikel ist aus dem Stand der Technik neben stationären Aerosolpartikel-Sammeleinrichtungen der Einsatz von bemannten und unbemannten Fluggeräten mit daran angebrachten Aerosolpartikel-Sammeleinrichtungen bekannt.
Aus Schmale et al.: Development and Application of an Autonomous Aerial Vehicle for Precise Aerobiological Sampling above Agricultural Fields, Journal of Field Robotics 25(3), 133–147 (2008), ist ein mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstetes Modellflugzeug mit einer Spannweite von 2,4 m bekannt, auf dem als Sammeleinrichtung Petrischalen mit einem Durchmesser von 100 mm angebracht sind, die bei Start und Landung des Modellflugzeuges abgedeckt sind und erst im Flug während der 15 Minuten dauernden Probennahme in den Luftstrom gehalten werden, wodurch die in der Luft befindlichen Aerosolpartikel auf den mit einer adhäsiven Schicht versehenen Petrischalen abgeschieden werden. Das Modellflugzeug ist mit einer automatischen Flugsteuerung und einem Positionierungssystem ausgerüstet, so dass vorbestimmte Positionen automatisch angeflogen werden können, um beispielsweise in einer Flughöhe von 60 bis 300 m über ein Feld mit Agrarfrüchten zu fliegen und die Aerosolpartikel einzusammeln.
Im Vergleich zu bemannten Fluggeräten können mit solchen unbemannten Fluggeräten (Unmanned Aerial Verhicle, UAV) die Einsatzmöglichkeiten verbessert werden, insbesondere sind die Anschaffungs- und Betriebskosten verringert und die Abgas- und Lärmbelästigung der Umgebung reduziert.
Aus der DE 10 2012 108 179 A1 ist ein luftgestütztes Radioaktivitätsmessverfahren mit einer unbemannten Drohne bekannt.
Aus der DE 90 06 535 U1 ist Messvorrichtung für luftgetragene Gefahrstoffe bekannt, bei der mindestens ein Messaufnehmer mit einem elektrochemischen Sensor ausgebildet ist und über einen Ansaugkanal und eine Dosierpumpe mit einer Ansaugöffnung verbunden ist.
Aus der RU 128 868 U1 ist ein System zur Detektion von radioaktivem Material bekannt, wobei das System ein unbemanntes Fluggerät mit einem Strahlungsdetektor und einer Videokamera aufweist.
Aus der CN 104 477 398 A ist eine ionisierende Strahlungserfassungsvorrichtung auf der Basis eines ferngesteuerten Quadcopters bekannt.
Aus der US 2009/0212157 A1 ist eine miniaturisierte Überwachungs-Flugdrohne bekannt.
Gemäß der DD 204 411 A1 sind zur Abscheidung von Tröpfchen und Nebeln aus strömenden Gasen neben der Abscheidung mittels Elektroabscheidern unterschiedliche Arten von Prallabscheidern bekannt. In der DE 16 19 902 C wird eine Anordnung beschrieben, die aus verschiedenartig geformten Prallblechen besteht. Die DE 12 17 347 A schlägt Kugelpackungen zur Nebelabscheidung vor. Ferner sind auch Gewebe- bzw. Gestrickabscheider (Demistoren) bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flugfähige Vorrichtung und ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft bereitzustellen, mit der die Einsatzmöglichkeiten weiter verbessert werden können. In einer Ausführungsart soll die Konzentration der Aerosol-Partikel mit hoher Zeit- und Ortsauflösung ermittelt werden können, d. h. es soll bei möglichst geringer Zeitdauer der Probennahme die Ermittlung der Konzentration der Aerosol-Partikel an einer möglichst genau bestimmbaren Position im Raum möglich sein.
Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung und durch das im Anspruch 10 bestimmte Verfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
In einer Ausführungsart ist die Aufgabe gelöst durch eine flugfähige Vorrichtung zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft, wobei die Vorrichtung ein unbemanntes Fluggerät und eine darauf angeordnete Sammeleinrichtung zum Einsammeln der Aerosolpartikel aufweist, und wobei das Fluggerät ein Drehflügler ist und die Sammeleinrichtung einen Lufteinlass, eine Abscheideeinheit zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel und ein Gebläse aufweist.
Durch die Verwendung eines Drehflüglers, wie beispielsweise eines Helikopters, ist eine sehr hohe Ortsauflösung der Bestimmung der Art und Konzentration der Aerosolpartikel erreichbar, da ein Drehflügler während der Probennahme an einem vorgebbaren Punkt im Raum schweben kann. Allerdings ist in diesem Fall die Relativbewegung des Fluggerätes gegenüber der umgebenden Luft derart gering, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Ausnutzung der Anströmung der Sammeleinrichtung infolge der Flugbewegung zu keiner ausreichenden Abscheidung der Aerosolpartikel führt. Es könnte zwar der durch den Drehflügel verursachte Abwind für eine Anströmung der Sammeleinrichtung genutzt werden, beispielsweise indem die Sammeleinrichtung an einer geeigneten Stelle im Abwind angeordnet wird, aber diese Lösung soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht angewendet werden.
Vielmehr weist die Sammeleinrichtung erfindungsgemäß ein vorzugsweise elektrisch betriebenes Gebläse auf, das einen Luftstrom erzeugt, mittels dem die zu beprobende Luft über einen Lufteinlass aus der umgebenden Luft angesaugt und der so erzeugte Luftstrom mit einer gegenüber dem von dem Fluggerät erzeugten Abwind erhöhten Geschwindigkeit über eine Abscheideeinheit geführt wird, in der die einzusammelnden Aerosolpartikel aus dem Luftstrom abgeschieden werden. Durch die gegenüber dem Abwind des Drehflüglers erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der zu beprobenden Luft kann innerhalb einer verkürzten Zeitdauer der Probennahme ein ausreichendes Luftvolumen beprobt werden. Dies führt zu einer hohen zeitlichen Auflösung der Ergebnisse.
Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erreichbare Kombination aus hoher räumlicher und hoher zeitlicher Auflösung der Bestimmung der Art und Konzentration der eingesammelten Aerosolpartikel ermöglicht zuverlässige Erkenntnisse nicht nur über die aktuelle Belastung der Luft mit Aerosolpartikeln, sondern auch eine genauere Bestimmung des Ursprungsortes der Aerosolpartikel. Dies ist beispielsweise im Hinblick auf die Feinstaubbelastung in Städten von besonderer Bedeutung, weil es eine genauere Ermittlung der Feinstaubquellen ermöglicht.
Außerdem ermöglicht die hohe räumliche und zeitliche Auflösung eine Verbesserung der Simulationsmodelle beispielsweise der Feinstaub- oder der Pollenausbreitung und damit eine zuverlässigere Vorhersage der zu erwartenden Feinstaub- oder Pollenbelastung.
In einer Ausführungsart ist der Drehflügler ein Multicopter mit mindestens drei, insbesondere mindestens vier und vorzugsweise mindestens sechs Rotoren. Die gegenüber einem Helikopter höhere Anzahl an Rotoren bietet eine verbesserte Flugstabilität und damit Flugsicherheit, und vereinfacht dadurch auch die Möglichkeit eines autonomen oder teilautonomen Fliegens. Wenn der Multicopter mehr als drei Rotoren aufweist, insbesondere wenn der Multicopter mehr als vier Rotoren aufweist, bleibt die Steuerbarkeit des Fluggeräts auch bei Ausfall eines Rotors erhalten.
Durch die Verwendung eines Multicopters wird eine vielseitig nutzbare Schwebeplattform bereitgestellt, auf der bei Bedarf auch mehrere Steuer-, Mess- und/oder Sammeleinrichtungen an geeigneter Position angeordnet werden können. So kann beispielsweise der Lufteinlass der Sammeleinrichtung nicht unmittelbar im Abwind des Rotors angeordnet sein. Für bestimmte Anwendungsgebiete und/oder bestimmte Aerosolpartikel ist es vorteilhaft, den Lufteinlass der Sammeleinrichtung zentrisch bezogen auf die Positionen der Rotoren auf dem Multicopter anzuordnen. Andererseits gibt es auch Anwendungsfälle, beispielsweise abhängig von den Windbedingungen, bei denen es vorteilhaft ist, den Lufteinlass exzentrisch bezogen auf die Positionen der Rotoren auf dem Multicopter anzuordnen. In einer Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann daher die Position des Lufteinlasses in Bezug auf die Positionen der Rotoren des Multicopters einstellbar sein.
In einer Ausführungsart ist die Abscheideeinheit zwischen Lufteinlass und Gebläse angeordnet, vorzugsweise ist die Abscheideeinheit unmittelbar oder lediglich über ein Verbindungsrohr mit dem Lufteinlass verbunden. Das Gebläse saugt mithin die Luft über den Lufteinlass auf die Abscheideeinheit. Vorzugsweise weist das der Abscheideeinheit zugewandte Ende des Lufteinlasses die gleiche Querschnittsfläche oder sogar die gleiche Querschnittskontur wie das dem Lufteinlass zugewandte Ende der Abscheideeinheit auf. Dadurch wird ein möglichst wirbelfreier Luftstrom erreicht und eine Abscheidung der Aerosolpartikel an unerwünschter Stelle verhindert.
In einer Ausführungsart weist die Abscheideeinheit einen Prallabscheider auf, mit dem die einzusammelnden Aerosolpartikel auf einer für sichtbares Licht vorzugsweise transparenten Prallfläche aus der Luft abscheidbar sind. Alternativ oder ergänzend zu einem Prallabscheider kann als Abscheideeinheit auch ein Filterelement eingesetzt werden. Durch die Verwendung eines Prallabscheiders lassen sich allerdings auch mit einer vergleichsweise geringen Gebläseleistung hohe Luftvolumenströme erreichen. Dies schont nicht nur die Energiereserven der flugfähigen Vorrichtung, sondern führt auch dazu, dass innerhalb einer kurzen Zeit ein ausreichend großes Luftvolumen beprobt werden kann. Vorzugsweise ist die Prallfläche eben, was beispielsweise die mikroskopische Auswertung der auf der Prallfläche abgeschiedenen Aerosolpartikel vereinfacht. Für eine durchlichtmikroskopische Auswertung ist es außerdem vorteilhaft, wenn die Prallfläche bzw. der die Prallfläche bildende Probenträger für sichtbares Licht transparent ist.
In einer Ausführungsart kann der Prallabscheider auch mehrere Prallflächen oder mehrere die Prallflächen bildende Probenträger aufweisen, die automatisch oder fernsteuerbar in den Freistrahl des Prallabscheiders positionierbar sind. Beispielsweise kann der Prallabscheider einen Prallrevolver mit mehreren Prallflächen aufweisen, die durch Drehen des Prallrevolvers nacheinander in den Freistrahl bringbar sind. Damit sind auch innerhalb eines Fluges mehrere Probennahmen durchführbar, beispielsweise an unterschiedlichen vertikalen oder horizontalen Raumpositionen.
In einer Ausführungsart ist der Prallabscheider düsenlos, vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der Luftleitung in der Abscheideeinheit konstant, jedenfalls bis zu dem der Prallfläche zugewandten Ende der Luftleitung und dem Austritt des Freistrahls. Dadurch wird eine Abscheidung der einzusammelnden Aerosolpartikel an einer unerwünschten Stelle zuverlässig verhindert. Darüber hinaus ist der Luftvolumenstrom höher als bei Verwendung einer Düse, wodurch wiederum eine kürzere Zeitdauer der Probennahme und damit eine höhere zeitliche Auflösung der Ergebnisse erreichbar ist.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass der Sammeleinrichtung oberhalb mindestens eines Drehflügels des Fluggerätes angeordnet, vorzugsweise oberhalb aller Drehflügel des Fluggerätes. Untersuchungen haben ergeben, dass dadurch der Luftstrom aus einem Raumbereich entnehmbar ist, in dem vergleichsweise geringe Turbulenzen auftreten und dadurch die Probennahme durch die Sammeleinrichtung repräsentativ für die umgebende Raumluft ist.
In einer Ausführungsart beträgt der vertikale Abstand zwischen Lufteinlass und dem benachbarten Drehflügel mehr als 25% des Durchmessers des benachbarten Drehflügels, insbesondere mehr als 55% und vorzugsweise mehr als 95%. Dadurch erfolgt der Lufteinlass aus einem Raumbereich, in dem die umgebende Luft durch den Abwind der Rotoren nur geringfügig verwirbelt ist, und es tritt keine Verfälschung des Ergebnisses der Probennahme auf.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass zu seinem freien Ende hin aufgeweitet ist, insbesondere kegelförmig oder in Form eines Hyperboloids aufgeweitet. Durch eine an die Abmessungen des Lufteinlasses angepasste Gebläseleistung weist die vom Gebläse über den Lufteinlass in die Sammeleinrichtung angesaugte Luft im Bereich des Eintritts in den Lufteinlass nach Betrag und/oder Richtung im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit auf wie die in der unmittelbaren Umgebung des Lufteinlasses sich bewegende Luft. Das Einsaugen der Luft in die Sammeleinrichtung erfolgt dadurch im Wesentlichen isokinetisch und/oder isoaxial, jedenfalls verursachen die verbleibenden Differenzen in Betrag und Richtung keine wesentliche Verfälschung des Ergebnisses der Probennahme. Die Differenz zwischen dem Betrag der Geschwindigkeit der angesaugten Luft und dem Betrag der Geschwindigkeit der umgebenden Luft kann beispielsweise weniger als 50% bezogen auf den Betrag der höheren Geschwindigkeit betragen, insbesondere weniger als 30% und vorzugsweise weniger als 25%.
Durch die Aufweitung erfolgt im Verlauf des Ansaugweges eine möglichst gleichmäßige Beschleunigung der angesaugten Luft. Dadurch ist es möglich, die für eine effiziente Abscheidung erforderliche Strömungsgeschwindigkeit von beispielsweise mehr als 15 m/s, insbesondere mehr als 30 m/s und vorzugsweise mehr als 45 m/s, abhängig von der Art, Masse, Größe und Form der abzuscheidenden Aerosolpartikel, auch bei isokinetischer Probennahme zu erreichen.
In einer Ausführungsart beträgt die Öffnung des Lufteinlasses mehr als 2 cm² und weniger als 250 cm², insbesondere mehr als 4 cm² und weniger als 150 cm² und vorzugsweise mehr als 8 cm² und weniger als 60 cm². In einer alternativen Ausführungsart beträgt die Öffnung des Lufteinlasses mehr als 1 cm² und weniger als 250 cm² beträgt, insbesondere mehr als 2 cm² und weniger als 150 cm² und vorzugsweise mehr als 10 cm² und weniger als 50 cm². Damit lassen sich in Abstimmung mit der lichten Weite der Luftleitung in der Sammeleinrichtung, insbesondere mit der lichten Weite in einem Prallabscheider, auch bei im Wesentlichen isokinetischer Probennahme die Strömungsgeschwindigkeiten erreichen, die für eine ausreichende Abscheidung von beispielsweise Pollenkörnern erforderlich sind.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass senkrecht nach oben ausgerichtet. Dies ist insbesondere für den Schwebeflug oder auch den Vertikalflug und bei im Wesentlichen windstiller Umgebungsluft besonders vorteilhaft, weil dann die Luft isoaxial in den Lufteinlass einsaugbar ist.
In einer Ausführungsart ist der Lufteinlass gegenüber dem Fluggerät schwenkbar, insbesondere um eine horizontale Achse schwenkbar oder um zwei rechtwinklig zueinander ausgerichtete und vorzugsweise jeweils horizontale Achsen schwenkbar. Dies ist vorteilhaft, wenn die Probennahme während eines Horizontalfluges erfolgen soll, beispielsweise wenn entlang des Randes eines Maisfeldes die Pollenkonzentration gemessen werden soll, oder wenn eine signifikante Windgeschwindigkeit herrscht. In diesem Fall kann der Lufteinlass derart geschwenkt werden, dass die Probennahme trotz des Horizontalfluges bzw. der Windgeschwindigkeit isoaxial erfolgt.
In einer Ausführungsart ist das Gebläse steuerbar und dadurch der vom Gebläse in der Abscheideeinheit erzeugbare Luftvolumenstrom einstellbar. Dadurch wird eine isokinetische Probennahme beispielsweise auch bei sich verändernden Windverhältnissen gewährleistet. Außerdem kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit in der Sammeleinrichtung, insbesondere in einem Prallabscheider, an die einzusammelnden Aerosolpartikel angepasst werden.
In einer Ausführungsart beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des Luftvolumenstromes in der Abscheideeinheit mehr als 25 l/Min und weniger als 2.000 l/Min, insbesondere mehr als 50 l/Min und weniger als 1.500 l/Min und vorzugsweise mehr als 100 l/Min und weniger als 1.000 l/Min. Die Strömungsgeschwindigkeit muss insbesondere bei Einsatz eines Prallabscheiders in der Abscheideeinheit ausreichend groß sein, um eine zuverlässige Abtrennung der einzusammelnden Aerosolpartikel zu gewährleisten. Die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit ist dabei abhängig von dem Typ, der Masse, der Größe und der Form der einzusammelnden Aerosolpartikel. Unter der Voraussetzung, dass die einmal auf der Prallfläche abgeschiedenen Aerosolpartikel zuverlässig anhaften, führt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit tendenziell zu einer Erhöhung der Abscheiderate. Dementsprechend gibt es für jede Art von Aerosolpartikel einen Schwellenwert der Strömungsgeschwindigkeit, oberhalb dessen eine Abscheidung von beispielsweise mehr als 95% gewährleistet ist.
In einer Ausführungsart weist die Sammeleinrichtung weiterhin einen Volumenstromsensor auf, mit dem der durch die Abscheideeinheit fließende Luftvolumenstrom messbar ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das beprobte Luftvolumen auch bei sich ändernder Strömungsgeschwindigkeit in der Sammeleinrichtung, beispielsweise aufgrund einer nachlassenden Gebläseleistung, zuverlässig und vor allem in-situ bestimmbar ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft mit einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben, wobei die Aerosolpartikel mit der Abscheideeinheit der auf dem unbemannten Fluggerät angeordneten Sammeleinrichtung eingesammelt werden, und wobei die einzusammelnden Aerosolpartikel auf der Prallfläche der Abscheideeinheit abgeschieden werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen flugfähigen Vorrichtung zum Einsammeln von Aerosolpartikeln aus der Luft,
2 zeigt detailreicher und in vergrößerter Darstellung eine Seitenansicht der Sammeleinrichtung der 1,
3 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Probenträgers mit abgeschiedenen Aerosolpartikeln, und
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Fotos der 3.
Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen flugfähigen Vorrichtung 1 zum Einsammeln von Aerosolpartikeln 2 aus der Luft. Die Vorrichtung 1 weist ein unbemanntes und fernsteuerbares Fluggerät 10 und eine darauf angeordnete Sammeleinrichtung 20 zum Einsammeln der Aerosolpartikel 2 auf. Erfindungsgemäß ist das Fluggerät 10 ein Drehflügler. Im Ausführungsbeispiel ein Multicopter mit insgesamt sechs Rotoren 12, die alle in einer horizontalen Ebene 42 angeordnet sind und jeweils eine zweiblättrige Luftschraube 14 mit einem Durchmesser von etwa 40 cm aufweisen. Die Sammeleinrichtung 20 weist einen Lufteinlass 22, eine Abscheideeinheit 24 zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel 2, einen Volumenstromsensor 28 und ein Gebläse 26 auf.
Die Rotoren 12 bzw. die zugehörigen Motoren 16 sind über Tragarme 52 an einer Zentralplatte 50 des Fluggeräts 10 angeordnet. An der Zentralplatte 50 können auch die Sammeleinrichtung 20 sowie weitere, in der 1 nicht dargestellte, aber für den Betrieb des Fluggeräts oder der Vorrichtung 1 erforderliche oder vorteilhafte Komponenten der Vorrichtung 1 befestigt sein, wobei die Befestigung unmittelbar oder mittelbar durch ein Zwischenelement 60 erfolgen kann. In der den Rotoren 12 gegenüberliegenden Richtung erstreckt sich das Landegestell 54 des Fluggeräts 10.
Jeder Rotor 12 ist von einem individuell zugehörigen und vorzugsweise bürstenlosen Elektromotor 16 angetrieben. Die Ansteuerung der insgesamt sechs Elektromotoren 16, die maßgeblich ist für das Flugverhalten und insbesondere die Stabilität eines möglichen Schwebefluges, ist ebenso wie die elektrische Energieversorgung durch einen wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicher nicht dargestellt, da es sich dabei um handelsübliche Komponenten des Fluggerätes 10 handelt.
In der 1 ist der flugbereite Zustand der Vorrichtung 1 dargestellt, in dem die Vorrichtung einen Außendurchmesser von Rotorblattspitze zu Rotorblattspitze von etwa 130 cm aufweist und ein Abfluggewicht von 4,5 kg. Damit lassen sich Flugzeiten von typischerweise 15 bis 25 Minuten erreichen, abhängig von der Fluggeschwindigkeit, Flughöhe und der Luftdichte am Einsatzort. Die maximale vertikale Steiggeschwindigkeit beträgt etwa 5 m/s, so dass erforderlichenfalls Flughöhen von über 1.000 m erreichbar sind.
Das Fluggerät 10 der Vorrichtung 1 ist über eine Funk-Fernsteuerung steuerbar, könnte bei Bedarf und abhängig von der eingesetzten Steuerungstechnik aber auch autonom oder jedenfalls teilautonom fliegen. Ober dieselbe oder eine weitere Funk-Fernsteuerung ist auch die Sammeleinrichtung 20 steuerbar, insbesondere das Gebläse 26 ein- und ausschaltbar oder dessen Leistung regelbar.
Der vertikale Abstand 44 des oberen freien Endes des Lufteinlasses 22 zu dem benachbarten Rotor 12 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 40 cm, mithin etwa so viel wie der Durchmesser der Luftschraube 14. Lateral ist der Lufteinlass 22 im dargestellten Ausführungsbeispiel exzentrisch in Bezug auf die Mittel-Hochachse des Fluggerätes 10 angeordnet, kann aber bei Bedarf auch zentrisch angeordnet sein.
Die 2 zeigt detailreicher und in vergrößerter Darstellung eine Seitenansicht der Sammeleinrichtung 20 der 1. Die Darstellungen der 1 und 2 sind nicht maßstabsgetreu, vielmehr sind einige Komponenten zum Zwecke der Erläuterung der Funktionsweise vergrößert dargestellt. Der Lufteinlass 22 ist durch eine Art Trichter gebildet, der im Ausführungsbeispiel die Form eines Hyperboloids hat. Im Lufteinlass 22 werden die Aerosolpartikel 2 ausgehend von der Geschwindigkeit am freien Ende des Lufteinlasses 22, die im Wesentlichen der Strömungsgeschwindigkeit der den Lufteinlass 22 außen umströmenden Luft entspricht, auf den höheren Wert in der zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen Rohrleitung 56 beschleunigt. An seinem freien Ende weist der Lufteinlass 22 eine kreisrunde Kontur mit einem Durchmesser von 7 cm auf. Die kreiszylindrische Rohrleitung 56 weist einen Innendurchmesser von 0,9 cm auf. Das Querschnittsverhältnis zwischen dem freien Ende des Lufteinlasses 22 und der Rohrleitung 56 beträgt etwa 60:1. Wenn man den Druckanstieg im Verlauf des Lufteinlasses 22 und der Rohrleitung 56 vernachlässigt, strömt die Luft in der Rohrleitung 56 daher etwa 60-mal schneller als am freien Ende des Lufteinlasses 22.
Im Ausführungsbeispiel führt die Rohrleitung 56 in die Abscheideeinheit 24 und kann dort auch Teil des Prallabscheiders sein, mit dem der Luftstrom als Freistrahl und vorzugsweise düsenfrei auf eine ebene Prallfläche 32 gerichtet ist. Die Prallfläche 32 wird durch einen Probenträger 34 aus Glas gebildet, auf den im Bereich unterhalb des Endes der Rohrleitung 56 eine für sichtbares Licht transparente adhäsive Schicht 36 mit einer Dicke von etwa 1 mm aufgebracht ist, an der die Aerosolpartikel haften bleiben. Die in der 2 im Schnitt dargestellte adhäsive Schicht 36 ist in der Draufsicht kreisförmig und wird von einem ebenfalls kreisförmigen Stützring 38 umschlossen, der ein Abfließen der adhäsiven Schicht 36, beispielsweise aufgrund des Einwirkens des Freistrahles oder aufgrund von erhöhter Temperatur, zuverlässig verhindert. Die lichte Weite des Stützrings 38 ist mehr als 10% größer, insbesondere mehr als 20% und vorzugsweise mehr als 35%, als die lichte Weite der Rohrleitung 56.
Bei einer Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung 56 von etwa 50 m/s und einem Abstand zwischen dem Ende der Rohrleitung 56 und der Schicht 36, der zwischen 50% und 200% der lichten Weite der Rohrleitung 56 entsprechen sollte und im Ausführungsbeispiel etwa 10 bis 15 mm beträgt, werden jedenfalls mehr als 95% der Aerosolpartikel, insbesondere der Pollenkörner, auf der Prallfläche 32 abgeschieden. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten führen tendenziell zu einer höheren Abscheiderate insbesondere der kleineren Partikel, sofern diese ausreichend fest an der Schicht 36 haften oder impaktiert sind und nicht durch den Freistrahl wieder abgelöst werden.
Durch die Verwendung eines für Licht transparenten Probenträgers 34 können die eingesammelten Aerosolpartikel 2 schnell und auf einfache Weise mit einem Lichtmikroskop oder einer Digitalkamera analysiert werden, erforderlichenfalls auch automatisch durch Anwendung von Mustererkennungsverfahren und/oder noch am Einsatzort durch eine entsprechende portable Ausrüstung. Diese Möglichkeit einer schnellen Auswertung stellt einen besonderen Vorteil dar, so dass die Sammeleinrichtung 20 möglicherweise auch unabhängig vom Fluggerät 10 neu und erfinderisch ist.
Die bisher erzielten Ergebnisse lassen vermuten, dass jedenfalls bei geeigneter Wahl der Geometrie des Lufteinlasses 22 und der Rohrleitung 56 sowie der Leistung des Gebläses 26 nicht nur Pollenkörner und Sporen vollständig abgeschieden und eingesammelt werden können, sondern auch Feinstaub und Bakterien mit einer typischen Größe von 1 bis 10 μm. Darüber hinaus sind wohl auch Aerosolpartikel 2 mit einer Größe von weniger als 1 μm einsammelbar, beispielsweise auch die besonders gesundheitsgefährlichen ultrafeinen Stäube und möglicherweise auch Bakterien mit einer typischen Größe von 0,1 μm.
Auf der dem Lufteinlass 22 gegenüberliegenden Seite wird eine weiterführende Rohrleitung 58 aus der Abscheideeinheit 24 herausgeführt. Die vertikal verlaufende weiterführende Rohrleitung 58 weist eine Biegung von 90° auf, die allerdings nur durch die besonderen baulichen Anforderungen aufgrund des im Ausführungsbeispiel verwendeten Fluggeräts 10 bedingt sind. Im horizontalen Abschnitt der weiterführenden Rohrleitung 58 ist ein Element 18 zur Vergleichmäßigung des Luftstromes angeordnet. Anschließend weist die Sammeleinrichtung 20 einen Volumenstromsensor 28 auf, beispielsweise mit einem Messbereich von 0 bis 1.000 Liter/Minute. Daran anschließend ist das Gebläse 26 angeordnet, welches die Luft durch die gesamte Sammeleinrichtung 20 saugt und mechanisch an der Zentralplatte 50 des Fluggeräts 10 befestigt werden kann.
Die 3 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Probenträgers 34 mit abgeschiedenen Aerosolpartikeln, und die 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Fotos der 3. Die Dauer Probennahme betrug lediglich fünf Minuten und wurde im Monat März auf einem freien Feld in der Nähe von Tübingen durchgeführt. Die zahlreichen eingesammelten und offensichtlich hinsichtlich Art und Größe sehr unterschiedlichen Aerosolpartikel belegen die Wirksamkeit der Sammeleinrichtung 20.
In der vergrößerten Darstellung der 4 sind unterschiedliche Pollenkörner 40 von Hasel, Birke, Pappel und Eibe mit einer maximalen Ausdehnung in der Bildfläche von 20 bis 40 μm zu erkennen, außerdem zahlreiche schwarze Rußpartikel 46 mit einer Ausdehnung von 5 bis 15 μm sowie einige transparente mineralische Partikel 48 mit unterschiedlicher Ausdehnung. Die weiterhin sichtbaren kleineren Aerosolpartikel mit einer maximalen Ausdehnung von jedenfalls weniger als 5 μm lassen vermuten, dass mit der erfindungsgemäßen Sammeleinrichtung 20 auch sogenannte Feinstaubpartikel der Größenklasse PM2,5 abscheidbar sind und möglicherweise auch Feinstäube im sub-Mikrometer Bereich.
Im Unterschied zu optischen Partikelzählern bietet die erfindungsgemäße Sammeleinrichtung 20 den Vorteil, dass nicht nur ein Zahlenwert der Partikelbelastung als Ergebnis ausgegeben wird, sondern dass die Aerosolpartikel 2 auf einem Probenträger 34 zur unmittelbaren weiteren Analyse, beispielsweise nach ihrer chemischen Zusammensetzung, vorliegen. Dieses Ergebnis wird erreicht mit einer portablen und hochmobilen Sammeleinrichtung 20, die erfindungsgemäß sogar an einem unbemannten Fluggerät 10 angebracht werden kann, und mit einer Dauer der Probennahme von nur wenigen Minuten.

Claims

Vorrichtung (1) zum Einsammeln von Aerosolpartikeln (2) aus der Luft, wobei die Vorrichtung (1) ein unbemanntes Fluggerät (10) und eine darauf angeordnete Sammeleinrichtung (20) zum Einsammeln der Aerosolpartikel (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (10) ein Drehflügler ist, dass die Sammeleinrichtung (20) einen Lufteinlass (22), eine Abscheideeinheit (24) zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel (2) und ein Gebläse (26) aufweist, und dass die Abscheideeinheit (24) einen Prallabscheider (30) aufweist, mittels dem die einzusammelnden Aerosolpartikel (2) auf einer Prallfläche (32) aus der Luft abscheidbar sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinheit (24) zwischen dem Lufteinlass (22) und dem Gebläse (26) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallfläche (32) für sichtbares Licht transparent ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (22) oberhalb der Rotorblätter (14) mindestens eines Rotors (12) des Fluggerätes (10) angeordnet ist, vorzugsweise oberhalb der Rotorblätter (14) aller Rotoren (12) des Fluggerätes (10).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (22) senkrecht nach oben ausgerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (22) gegenüber dem Fluggerät (10) schwenkbar ist, insbesondere um eine horizontale Achse schwenkbar ist oder um zwei rechtwinklig zueinander ausgerichtete und vorzugsweise jeweils horizontale Achsen schwenkbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (26) steuerbar ist und dadurch der vom Gebläse (26) in der Abscheideeinheit (24) erzeugbare Luftvolumenstrom einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Gebläse (26) erzeugbare Luftvolumenstrom durch die Abscheideeinheit (24) mehr als 25 l/Min und weniger als 2.000 l/Min beträgt, insbesondere mehr als 50 l/Min und weniger als 1.500 l/Min und vorzugsweise mehr als 100 l/Min und weniger als 1.000 l/Min.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (20) weiterhin einen Volumenstromsensor (28) aufweist, mit dem der durch die Abscheideeinheit (24) fließende Luftvolumenstrom messbar ist.
Verfahren zum Einsammeln von Aerosolpartikeln (2) aus der Luft mit einer Vorrichtung (1), die ein unbemanntes Fluggerät (10) und eine darauf angeordnete Sammeleinrichtung (20) aufweist, mit der die Aerosolpartikel (2) eingesammelt werden, wobei das Fluggerät (10) ein Drehflügler ist und die Sammeleinrichtung (20) einen Lufteinlass (22), eine Abscheideeinheit (24) zum Abscheiden der einzusammelnden Aerosolpartikel (2) und ein Gebläse (26) aufweist, und wobei die Abscheideeinheit (24) einen Prallabscheider (30) aufweist, mittels dem die einzusammelnden Aerosolpartikel (2) aus der Luft auf einer Prallfläche (32) abgeschieden werden.