C2D2 auf Korrosionskurs
Kommen Br¨¹cken in die Jahre, werden sie zu einem Problem f¨¹r die Verkehrsinfrastruktur, da Tausalze und Kohlendioxid den Stahlbeton mit der Zeit zerst?ren. Ein neuer Roboter ¨¹berpr¨¹ft den Zustand der Bauwerke nun auch an f¨¹r Menschen unzug?nglichen Stellen.
?ber 3500 Autobahnbr¨¹cken in der Schweiz bringen uns jederzeit sicher und schnell ¨¹ber Taleinschnitte, B?che, Fl¨¹sse oder Verkehrswege. Hinzu kommen Tausende von Br¨¹cken von Kantonsstrassen. Zwei Eigenschaften haben die meisten von ihnen gemeinsam: Sie sind unabdingbar f¨¹r die Schweizer Verkehrsinfrastruktur und sie bestehen aus Stahlbeton. Dadurch sind sie sicher und langlebig ¨C zumindest solange, bis die Korrosion einsetzt.
Korrosion gef?hrdet die Schweizer Infrastruktur
Unter Korrosion wird die Zerst?rung des Bewehrungsstahls im Beton aufgrund von eindringendem Chlorid aus dem Tausalz oder die Neutralisation des Betons durch CO2 aus der Atmosph?re verstanden. Die Zerst?rung schreitet mit der Zeit immer st?rker voran und ist meist erst dann sichtbar, wenn sie schon sehr fortgeschritten ist. Dies kann auf Dauer die Gebrauchstauglichkeit und die Sicherheit der Br¨¹cken und anderer Stahlbetontragwerke gef?hrden. Ausserdem verschlingt die Sanierung dieser Br¨¹cken grosse Summen, denn je gr?sser die Sch?den aufgrund der Korrosion, desto teurer ist die Reparatur. ?Hinzu kommt, dass viele Br¨¹cken in der Schweiz mittlerweile ¨¹ber 50 Jahre alt sind, wodurch die Korrosion zu einem immer gr?sseren Problem f¨¹r die Schweizer Infrastruktur wird?, erkl?rt Bernhard Elsener, Professor am Institut f¨¹r Baustoffe der ETH Z¨¹rich.
Zusammen mit einem Forscherteam entwickelte er deshalb schon vor 25 Jahren eine Technologie, um die Korrosion fr¨¹hzeitig zu erkennen: Sie befestigten eine Elektrode auf einem Rad und fuhren damit ¨¹ber die Oberfl?che des Stahlbetons. Dabei misst der Sensor das unterschiedliche elektrische Potenzial des gepr¨¹ften Stahlbetons. Gr?ssere Differenzen des Potenzials bedeuten, dass die Bewehrung des Betons in diesen Bereichen bereits begonnen hat zu korrodieren. Die Messdaten werden an einen Rechner ¨¹bertragen und ausgewertet.
Diese Technologie, die Potenzialfeldmessung, werde schon seit L?ngerem erfolgreich bei der Inspektion von Br¨¹cken angewandt, sagt Elsener. Ein Problem besteht jedoch weiterhin: ?Die Radelektrode ist an einem Stock befestigt und muss mit der Hand gef¨¹hrt werden. Dadurch k?nnen viele Bereiche wie beispielsweise St¨¹tzen und Unterseiten von hohen Br¨¹cken nicht erfasst werden?, erkl?rt Elsener.
Ein Roboter soll Korrosion aufsp¨¹ren
Um dieses Problem zu l?sen, schloss sich das Institut f¨¹r Baustoffe mit dem Institut f¨¹r Robotik und Intelligente Systeme zusammen und bildete ein Projektteam bestehend aus Bernhard Elsener, Alexis Leibbrandt, Oliver Glauser, Ueli Angst und Robert Flatt vom Institut f¨¹r Baustoffe, sowie Gilles Caprari vom Autonomous Systems Lab der ETH Z¨¹rich. Das Ziel war es, einen Roboter zu entwickeln, der in der Lage ist, Korrosion im fr¨¹hsten Stadium und auch an f¨¹r Menschen unzug?nglichen Stellen aufzusp¨¹ren. Die Forscher mussten indes nicht lange nach einer L?sung suchen: ?In einem unserer Fokusprojekte haben Studierende vor vier Jahren einen Roboter entwickelt, der in der Lage ist, sich sowohl am Boden als auch an W?nden und Decken fortzubewegen. F¨¹r das geplante Projekt war er deshalb ideal?, erz?hlt Roland Siegwart, Professor am Institut f¨¹r Robotik und Intelligente Systeme und Vizepr?sident Forschung und Wirtschaftsbeziehungen der ETH Z¨¹rich.
Die Fortbewegung dieses Roboters basiert auf der sogenannten Vortex-Technologie: Auf der Unterseite des Roboters befindet sich eine Art Propeller, der sich so schnell dreht, dass der Roboter durch den entstehenden Unterdruck an W?nden und Decken angesaugt wird und sich mit Hilfe seiner R?der fortbewegen kann. Gesteuert wird er mittels Fern- oder Computersteuerung.
Aus Paraswift wird C2D2
?Urspr¨¹nglich hiess der Roboter Paraswift und wurde mit Hinblick auf die Nutzung durch Disney entwickelt. Wenn an dem Roboter eine Kamera angeschraubt wird, kann ein Raum problemlos aus allen Perspektiven gefilmt werden?, erkl?rt Siegwart. F¨¹r das neue Projekt der beiden Institute wurde Paraswift in C2D2 (?Climbing Corrosion Detecting Device?) umgetauft und an die neue Nutzung als Korrosions-Entdecker angepasst: ?Wir haben das Geh?use und die R?der robuster gestaltet und die Technologie zur Erkennung von Korrosion eingebaut?, so Elsener, der das Projekt leitet.
Die Elektrode befindet sich auf der Unterseite des Roboters und misst die Potenzialdifferenz des Stahlbetons w?hrend sich der Roboter auf dem Bauwerk fortbewegt. Diese Daten muss ein Spezialist anschliessend auswerten. Zudem montierten die Ingenieure eine rosa Kugel auf der Oberseite des Roboters, damit ihn Kameras leicht erkennen und die Forscher ihn somit orten und besser steuern k?nnen. In dieser Kugel befindet sich eine weitere Kamera, welche die Umgebung aufnimmt. Dadurch k?nnen m?gliche Hindernisse erkannt und umfahren werden.
Erste Tests waren erfolgreich
Bis zum Ende des Projekts Mitte 2015 soll der Roboter solche Hindernisse selbst erkennen und umfahren k?nnen. Ausserdem wollen die Forscher die manuelle Steuerung des Roboters durch ein Navigationssystem ersetzen, welches den Roboter autonom werden l?sst. Und sie sind daran, eine Software zu entwickeln, welche die vielen Messdaten zum grossen Teil selbst auswertet.
Bereits im Jahr 2012 meldete das Projektteam den Roboter zum Patent an. Firmen, die sich f¨¹r eine externe SeiteLizenz interessieren, k?nnen sich bei ETH transfer, der Technologietransferstelle der ETH, melden. Bislang wurde C2D2 schon an verschiedenen Br¨¹cken in der Schweiz getestet, und er hat sich weitgehend bew?hrt. Einzig das Fahren auf vertikalen Ebenen m¨¹ssen die Ingenieure noch optimieren. Bis zum Ende des Projekts werden weitere Tests folgen. Auf Grundlage der Ergebnisse wird das Bundesamt f¨¹r Strassen (Astra), das das Projekt finanziert, entscheiden, ob C2D2 k¨¹nftig f¨¹r die regelm?ssigen Inspektionen der Br¨¹cken eingesetzt werden soll. Dazu w¨¹rde Professor Elsener in jedem Fall raten: ?C2D2 kann mit relativ geringen Kosten zu einer sicheren und nachhaltigen Infrastruktur verhelfen ¨C und das war auch die Motivation f¨¹r das Projekt.?
Am 13. Juni 2014 wurde C2D2 in einem internationalen Wettbewerb auf der externe SeiteConcrete Innovation Conference (COIN) mit einem Award in der Kategorie ?Prolongation of service life? ausgezeichnet. Dieser Wettbewerb fand dieses Jahr zum ersten Mal statt.
