Het BUDDAWAK drone-project
Algemene resultaten van het project
Het BUDDAWAK-project of voluit Belgian Unmanned aerial systems for Decommissioning, Detection and AWAreness of radioactive risK, gefinancierd door de Belgische overheidsdienst Economie, KMO, Middenstand en Energie in het kader van het Fonds voor Energietransitie (ETF4-project39) liep ten einde. Een mooi moment om terug te blikken over het verloop van het project en een algemeen overzicht van de resultaten te presenteren.
Dit industriële demonstratieproject startte in het najaar van 2020 en combineerde de unieke expertise van SABCA in de luchtvaart en SCK CEN in de nucleaire sector om nieuwe mogelijkheden en standaarden vast te stellen voor radiologische metingen met onbemande luchtvaartuigen, beter bekend als drones.
💡 Buddawak (Burri Bootyau) is een naam afkomstig van de Aboriginals en wijst op een mythische uil, een nachtvogel die zich in Australië in grotten nestelt. Hij symboliseert het project waarbij SABCA de unieke vogel en roters levert die nodig zijn om de grote gammastralingsdetectoren te dragen die SCK CEN ontwikkelde.
2 drone-detectorcombinaties
Tijdens het project ontwierpen, testen en exploiteerden we twee drone-detectorcombinaties: een lang uithoudingssysteem met vaste vleugels (met een autonomie van 12 uur) dat één volledig geoptimaliseerde CsI-gammastralenspectrometer aan boord heeft en een groot multicoptersysteem dat is uitgerust is met een set van drie grote detectoren, wat resulteert in een hoge richtingsgevoeligheid voor het meten van kleine hoeveelheden radioactiviteit.
Los van de Ontwikkeling van de drone-detectorsystemen werden deze systemen rigoureus getest door middel van een groot aantal vluchten. De vluchten omvatten, naast testvluchten bij DronePort, uitdagende vluchten boven en rond een industriële omgeving op het nucleaire gebied Mol-Dessel. Onderzoeken op grotere hoogte (200+ meter grondspeling) boven nucleaire installaties werden uitgevoerd, evenals specifieke vluchten langs gebouwen en afvalopslaglocaties. Deze vluchten toonden het nut aan van drone-metingen voor surveillance tijdens normale activiteiten of incidenten, maar ook bij de nucleaire ontmantelingsprojecten.
Bereikte mijlpalen in het BUDDAWAK project
Fixed wing UAS met CsI detectorsysteem
🎞️ Bekijk deze video om de fixed-wing drone in actie te zien.
De eerste mijlpaal was het koppelen van een geoptimaliseerde payload bestaande uit een CsI-detectorsysteem aan een fixed-wing UAS. De fixed-wing UAV heeft een spanwijdte van 3,3 m, een maximaal startgewicht van 23 kg en kan een topsnelheid tot 94 km/u halen. Hij werkt op hoogtes tot 15.000 voet, aangedreven door zijn tweetaktbenzinemotor. De UAV wordt gelanceerd door een katapult en heeft een parachute en airbag voor recuperatie. Hij heeft een indrukwekkende autonomie van 12 uur en een bereik van 100 kilometer. De setup is ideaal voor surveillancevluchten over grote gebieden en/of langere vluchten. Het detectorsysteem is volledig op maat gemaakt (qua type, grootte en elektronica) om een maximale gevoeligheid te bereiken voor de detectie van straling van radionucliden zoals Cs137 en Co60, terwijl de opgelegde maximale payload van 2,5 kilogram niet wordt overschreden. Het systeem werd ontworpen, operationeel gemaakt, getest en gekalibreerd op basis van uitgebreide Monte-Carlosimulaties. Vervolgens werd het detectorsysteem volledig geïntegreerd in de fixed-wing UAV. Het koppelen van de detectorsystemen aan de drone en de eerste gegevensverzameling met het geïntegreerde systeem in de UAS gebeurde door Annelies Verlinden, federaal minister van Binnenlandse Zaken, tijdens een werkbezoek aan SCK CEN op 18 mei 2021.
Na een reeks uitgebreide grondtesten werden er geen interferenties vastgesteld tussen de fixed-wing drone en het detectorsysteem die de veiligheid van de vlucht in het gedrang zouden brengen. Vervolgens werden er vluchtplannen, inclusief een noodplan (ERP), specifieke operationele risicobeoordelingen (SORA's) en een operationeel concept (CONOPS) opgesteld en werd er om toestemming gevraagd voor vluchten boven een relevante industriële omgeving. Ondertussen werden er bij DronePort in Sint-Truiden testvluchten uitgevoerd. Tijdens die vluchten werden verschillende vliegpatronen getest, waaronder in cirkelbewegingen en in een raster, en werd een methodologie bepaald en geverifieerd voor het omzetten van de ruwe meetgegevens in zinvolle parameters, zoals bodemradionuclideconcentraties, samen met correcties voor bodemspeling. In Remote Sensing werd hierover een open toegankelijk wetenschappelijk artikel gepubliceerd.
Zodra de Belgische burgerluchtvaartautoriteiten toestemming gaven om boven de nucleaire installaties in het gebied Mol-Dessel te vliegen, werd er 4 volle dagen gevlogen en werden er meer dan 47.000 individuele gammastralenspectra verzameld. Uit de resultaten bleek dat de gevoeligheid en flexibiliteit van het systeem, zelfs bij gebruik op meer dan 200 meter boven de grond, en binnen de wettelijk vastgestelde stralingsniveaus, een uitgebreide beoordeling van de radiologische situatie mogelijk maakte. Dankzij de hoge tijdelijke en ruimtelijke resolutie konden zowel statische stralingsniveaus van afvalopslag op verschillende locaties als veranderende stralingsniveaus door kleine atmosferische lozingen van radioactiviteit tijdens de normale werking van de Belgian Reactor 1 (BR1) worden gedetecteerd en geïdentificeerd.
Daaruit kon worden geconcludeerd dat het fixed-wing systeem de bij aanvang van het project verwachte resultaten duidelijk overtrof. Indien vooraf gepland, kan het systeem binnen 2 uur worden ingezet om radiologische metingen uit te voeren in een gebied. Het kan daarbij niet alleen in noodsituaties worden ingezet, maar ook tijdens normaal radiologisch toezicht op sites of verdachte locaties (bijvoorbeeld in de context van veiligheidsevenementen). Dit komt overeen met een niveau van technologische paraatheid (TRL) rond 8 of 9, in plaats van de aanvankelijk verwachte TRL 5.
Multicoptersysteem met unieke stralingspayload
Tegelijk met het fixed-wing platform voor radiologische metingen werd er ook een multicoptersysteem ontwikkeld met een unieke stralingspayload. De multicopter kan ter plaatse blijven hangen en kleinere omgevingen gedetailleerd screenen, wat cruciaal is tijdens nucleaire ontmanteling en buitenbedrijfstelling. Als onderdeel van het project werd een gespecialiseerde multicopter op maat ontwikkeld voor nucleaire toepassingen. Daarbij werd een hexacopter ontwikkeld met gekantelde armen voor meer stabiliteit, afneembare armen met een spanwijdte van meer dan 2 m, een autonomie van 45 minuten met een maximale payload van 5 kg, elementaire botsingvermijding met behulp van geïntegreerde LIDAR-technologie, een Ethernet-bussysteem en een LTE-module (Long Term Evolution cellulaire technologie) voor communicatie met de payload. De multicopter had ook beschermingsklasse IP55, wat betekende dat hij beschermd was tegen waterstralen onder lage druk uit alle richtingen. Het stralingsdetectiesysteem was opnieuw volledig op maat gemaakt, met een innovatief design om het detectiesysteem richtingsgevoeligheid te geven zonder dat zware afscherming nodig was. Dit zorgde ervoor dat het gewicht van de payload niet steeg en garandeerde een efficiëntere detectie. De ontwerpstudie resulteerde in een innovatief systeem bestaande uit drie cilindrische CsI-scintillatiedetectoren van elk 7 cm (diameter) x 7 cm (lengte), uitgerust met Si-fotomultipliers. Wanneer de meetwaarden van de drie detectoren bij elkaar worden opgeteld, geeft dit een uitzonderlijk hoge detectie-efficiëntie, zelfs bij hoge gammastralingsenergieniveaus. Maar wanneer de metingen van de individuele detectoren afzonderlijk worden geanalyseerd, geeft dit een richtingsgevoeligheid die een hogere ruimtelijke resolutie mogelijk maakt tijdens metingen tijdens de vlucht. Vanwege problemen met de levering van onderdelen voor de UAS-hexacopter, werden tests en vluchten met de payload uitgevoerd met een volledig elektrische Octocopter (X8-configuratie), met een maximaal startgewicht (MTOW) van 22 kg, een topsnelheid van 72 km/u, een klimsnelheid van 7 m/s bij MTOW, een payload van 6 kg met een autonomie van 15 minuten en uitgerust met een geïntegreerde parachute.
Na intensieve grondtesten werden voorbereidende vluchten uitgevoerd bij DronePort en SCK CEN, waarbij vooraf duidelijk gedefinieerde puntbronnen werden gebruikt. Daardoor kon het systeem worden geëvalueerd onder duidelijk gekarakteriseerde referentieomstandigheden, waaronder vluchten op verschillende hoogtes, snelheden en patronen en voor verschillende brongeometrieën. Een van de uitdagingen was het kalibreren van de richtingsgevoeligheid van het detectiesysteem. De uitdaging lag vooral in het kritieke belang van het nauwkeurig bepalen van de absolute oriëntatie van het detectiesysteem, vooral wanneer gemonteerd op een bewegende UAV. Om de detectiegevoeligheid te optimaliseren, werd er offline een experimentele opstelling gebouwd. Binnen deze opstelling konden stralingsbronnen, bestaande uit laagactieve bronnen onder het vrijstellingsniveau, op verschillende afstanden rond het detectorsysteem draaien. De culminatie van deze tests en kalibraties resulteerde in een operationeel systeem met een realtime softwarepakket voor het interpreteren van de metingen.
Vervolgens werd het systeem getoond en gedemonstreerd in een relevante omgeving. Gedurende verschillende vluchtdagen werden in totaal 3 x 11.000 individuele gammastralenspectra verzameld tijdens het vliegen langs afvalcontainers, BR3-gebouwen en andere complexe structuren. Het systeem detecteerde snel verhoogde stralingsniveaus, identificeerde specifieke radionucliden en gaf aan uit welke richting het grootste deel van de straling afkomstig was. Er wordt nog gewerkt aan een wetenschappelijk artikel over deze metingen.
Demonstratieworkshop
Tot slot werd op 30 mei 2023 in Tabloo in Dessel een technische demonstratieworkshop georganiseerd voor alle geïnteresseerde stakeholders, waaronder overheden, de nucleaire sector, onderzoeksinstellingen en ngo's. Tijdens deze workshop werden de doelen en resultaten van de projecten gepresenteerd en besproken. Tijdens een paneldiscussie over de toekomstige toepassingen van dit type UAV-technologie werd de nadruk gelegd op de voordelen van het systeem voor gebruik tijdens normale activiteiten of in noodsituaties, maar ook bij ontmanteling en buitenbedrijfstelling.
Plannen voor de toekomst
Naast de resultaten van het BUDDAWAK-project heeft de ervaring die SABCA en SCK CEN hebben opgedaan door het project gezorgd voor een sterk gevoel van vertrouwen. Ze zijn ervan overtuigd dat ze, met de systemen die tijdens het project zijn ontwikkeld of de ervaring die ze hebben opgedaan bij het creëren van oplossingen op maat, doeltreffend kunnen reageren op eventuele vragen bij radiologische monitoring in de buitenomgeving met behulp van Uncrewed Aerial Systems. Bovendien kunnen ze die missies veilig uitvoeren, zelfs in complexe en uitdagende omgevingen.