thermisches/thermales Infrarot (THIR/TIR)

Engl. thermal infrared; Elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen ca. 3 bis 14 Mikrometern (Angaben uneinheitlich). Der Bereich von 10-12 Mikrometern wird für die Messung der Oberflächentemperaturen von Landflächen, Wasser und Wolken verwendet. Die Erde mit ihrer Umgebungstemperatur von ca. 300 K hat ihre höchste Energieabstrahlung im thermischen Infrarotbereich bei etwa 9,7 µm.

Infrarot-Wärmebilder

Bei der Infrarot-Wärmebildtechnik wird die langwellige Strahlung erfasst, die von der Oberfläche eines Objekts ausgesandt, reflektiert oder übertragen wird. Obwohl Instrumente zur Erfassung von Wärme schon seit Jahrhunderten verwendet werden, fand die Thermographie in den 1920er Jahren eine breite Anwendung, als die Fotographie sich weiterentwickelte und es ermöglichte, Wärmedaten als sichtbare Bilder aufzuzeichnen. Dieser Trend setzte sich in den 1970er Jahren fort, als die TIR-Technik für medizinische Zwecke zugelassen wurde und sich als wertvolles Instrument für die Krebsforschung erwies. Die moderne Wärmebildtechnik speichert entweder ein Wärmebild, das relative Temperaturen darstellt, oder digitale Zahlen für die Nachbearbeitung, z. B. die Kalibrierung auf absolute Temperaturwerte.

In den letzten drei Jahrzehnten hat sich die Wärmetechnik in einer Vielzahl von Branchen mit unterschiedlichen Anwendungen durchgesetzt: Sie wird bei Formel-1-Rennen zur Beurteilung des Reifenzustands, bei Gebäudeinspektionen zur Erfassung von Wärmeverlusten und bei den Streitkräften und Strafverfolgungsbehörden zur nächtlichen Objektverfolgung eingesetzt. Auch in der Gesundheits-, Infrastruktur- und Technologiebranche, bei der Bewirtschaftung natürlicher Ressourcen und bei der Energieerzeugung wird sie eingesetzt. Die luftgestützte TIR-Erfassung verleiht vielen dieser Anwendungen eine neue Dimension, insbesondere dank verbesserter TIR-Sensoren und moderner photogrammetrischer Software, die die Effizienz der Fernerkundung optimiert. Im Folgenden werden drei Fernerkundungsanwendungen angeführt, die zu realen Lösungen beitragen.

Überwachung der Flusstemperatur

Die Flusstemperatur ist einer der wichtigsten Parameter für gesunde aquatische Lebensräume. Die Temperaturverhältnisse in den Flüssen sind abhängig von der Lufttemperatur, der Strömung, der Ufervegetation und vor allem von der Wasserquelle (Quellen, Schneeschmelze usw.) des Flusses. Die sorgfältig geplante Erfassung von TIR-Bildern aus der Luft liefert ein unmittelbares Bild des thermischen Zustands des Flusses. Diese Daten unterstützen die Analyse durch Interessenvertreter und Fachleute aus dem Bereich der natürlichen Ressourcen und ermöglichen ihnen die Planung und Durchführung von Projekten zur Flussrenaturierung. (How Thermal Infrared Mapping is Monitoring Our World)

Chance für die Geothermie

Zwar lag das Hauptaugenmerk bei den erneuerbaren Energien bisher auf der Sonnen- und Windenergie, aber auch die Geothermie bietet große Chancen. Das US-Energieministerium etwa schätzt, dass bisher nur etwa 0,7 % der geothermischen Ressourcen des Landes erschlossen wurden.

In der Vergangenheit waren geologische Felduntersuchungen die wichtigste Methode, um geothermische Quellen zu finden. Bestimmte Mineralien wiesen auf ideale Bedingungen hin. Mit der TIR-Bildgebung kann die Suche nach geothermischer Energie durch eine großflächige thermische Kartierung potenzieller Quellgebiete besser unterstützt werden. Eine derartige geothermische Karte liefert eine genauere Darstellung der geothermischen Muster in der Landschaft, was bei der Entscheidung hilft, wo Anlagen gebaut und die Produktionseffizienz verbessert werden kann. (How Thermal Infrared Mapping is Monitoring Our World)

Inspektion von Brückendecken

Das nationale Brückeninspektionsprogramm der USA schreibt vor, dass deren über 617.000 öffentlichen Brücken mindestens alle zwei Jahre inspiziert werden müssen. Herkömmliche zerstörungsfreie Inspektionsmethoden wie Sondierungen, Radartechniken und die TIR-Inspektion mit einem Messwagen sind zwar effektiv, lassen aber noch viel Raum für Verbesserungen, sowohl was die Kosten als auch die Praktikabilität betrifft. In einigen Fällen muss der Verkehr angehalten werden, um diese Arten von Untersuchungen durchzuführen. Die TIR-Erfassung aus der Luft hat sich als wirksames Instrument zur Erkennung von oberflächennahen strukturellen Mängeln erwiesen und kann aus der Ferne durchgeführt werden, was bedeutet, dass die Effizienz von Flugzeugeinsätzen genutzt wird, um Dutzende von Brücken in einem einzigen Flug zu untersuchen.

Luftgestützte TIR-Erfassung für die Inspektion von Brückendecks Das linke Bild ist eine Ansicht eines Brückendecks im thermischen Infrarot mit einer Farbverlaufsrampe, die thermische Anomalien hervorhebt. Rechts ist dieselbe Brücke in Echtfarbe zu sehen. Die rote Linie stellt den Querschnitt dar, der in der Temperaturkurve unten angezeigt wird. Quelle: Directions Magazine / NV5 Geospatial

Die frühzeitige Erkennung von Schäden kann sich auszahlen, denn sie spart später viel höhere Reparaturkosten und verlängert möglicherweise die Gesamtlebensdauer der Brücke. Mit der Zeit dehnt sich der Bewehrungsstahl im Brückendeck aufgrund von Rost aus und übt Druck auf den umgebenden Beton aus. Unter der Oberfläche bilden sich Risse, die durch den Verkehr darüber noch vergrößert werden. Diese Delaminationsbereiche erwärmen sich bei Sonneneinstrahlung schneller als der umgebende Beton und lassen sich mit Hilfe von Infrarot-Wärmebildern leicht an der Oberfläche des Brückendecks erkennen.

Um die Delaminationen auf Brückendecks zu erfassen, machen spezialisierte Firmen Wärmebildaufnahmen aus der Luft und setzen moderne photogrammetrische und orthographische Verfahren ein, um ein verkehrsfreies Bild zu erstellen, das einen ungehinderten Blick auf das gesamte Brückendeck ermöglicht. Zu den weiteren Analysen gehört die Vektorisierung der identifizierten Delaminierungsbereiche, um den prozentualen Anteil der Delaminierung im Verhältnis zur Gesamtfläche des Brückendecks zu bestimmen. (How Thermal Infrared Mapping is Monitoring Our World)