30 Juni Luftschadstoffe auf Kilometerdistanz messen
Physikerinnen und Physiker der TU Graz haben ein UV-Dualkamm-Spektrometer entwickelt, das gasförmige Luftschadstoffe mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit detektieren kann. Das kompakte System misst die Konzentration von Gasen wie Formaldehyd innerhalb von 0,5 s und erreicht Messdistanzen von bis zu 2,5 km. Damit eignet sich das Spektrometer sowohl für Laboruntersuchungen als auch für mobile Anwendungen zur Überwachung von Luftschadstoffen und Gaslecks.
Aufbau der Dualkamm-Spektroskopie im UV: Herzstück ist ein Frequenzkamm, der aus zwei einzelnen frequenzkonvertierten Laserkämmen generiert wird. Bild: Springer Nature / TU Berlin gemäß CC BY 4.0
Dualkammtechnik praktisch umgesetzt
Für die Messung erzeugt das Gerät zwei Laserimpulse im ultravioletten Spektralbereich. Treffen diese auf Gasmoleküle, regen sie elektronische, rotatorische und vibratorische Übergänge an. Die dabei entstehenden sogenannten rovibronischen Übergänge sind für jede gasförmige Substanz charakteristisch und führen zu einem spezifischen Absorptionsmuster des Lichts. „Jeder Luftschadstoff hat also seinen eigenen Fingerabdruck, den unser UV-Dualkamm-Spektrometer erkennt“, sagt Birgitta Schultze-Bernhardt vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz. Das vor zwei Jahren entwickelte erste UV-Dualkamm-Spektrometer erforderte nach Angaben der Forschenden umfangreiche Laboraufbauten. Die aktuelle Version wurde auf die Größe eines Umzugskartons verkleinert. Möglich wurde dies unter anderem durch den Einsatz einer einzelnen Laserquelle zur Erzeugung des Doppellaserimpulses. „Dadurch können wir auch auf die aufwendige elektronische Stabilisierung des Systems verzichten“, erläutert Schultze-Bernhardt.
Das neue Spektrometer erreicht eine spektrale Auflösung von 1 GHz und übertrifft damit laut den Forschenden herkömmliche UV-Spektrometer deutlich. Die Messungen führten zudem zu neuen Erkenntnissen über die Molekülstruktur von Formaldehyd. In Zusammenarbeit mit dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Atomic and Molecular Physics in den USA korrigierte das Team Rotationskonstanten des Moleküls, die seit den 1960er-Jahren in Datenbanken und Lehrbüchern verwendet werden. Die Abweichungen betragen laut den Forschenden bis zu 15 %. Für die Untersuchungen stellte Rolf Breinbauer vom Institut für Organische Chemie der TU Graz hochreines Formaldehyd in einem zweistufigen Verfahren her.
Vom Labor zum Feldgerät
Neben der Grundlagenforschung sehen die Forschenden Anwendungsmöglichkeiten im Umweltmonitoring. Das System soll die Detektion von Luftschadstoffen und Gaslecks vereinfachen und präzisieren. „Mit unserem Gerät lässt sich prinzipiell jede halbwegs durchsichtige, gasförmige Substanz genau detektieren. Und wir arbeiten derzeit daran, die Konzentration von mehreren Schadstoffen mit einer einzigen Messung zu bestimmen“, sagt Schultze-Bernhardt.
Im Rahmen eines Proof-of-Concept-Grants des Europäischen Forschungsrats entwickelt das Team derzeit zudem eine Version des UV-Spektrometers, die auch von Anwendern außerhalb der Forschung zur Überwachung der Luftqualität genutzt werden könnte.
Projektförderung
Die Entwicklung des UV-Dualkamm-Spektrometers basiert auf Forschungsprojekten, die vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und vom European Research Council (ERC) gefördert wurden. Die Kooperationsinitiative NAWI Graz finanzierte die neuartige Laserquelle des aktuellen Systems.
Quelle: www.tugraz.at
Bild: Oliver Wolf / TU Graz
Bildunterschrift: Die Forschenden Rolf Breinbauer, Birgitta Schultze-Bernhardt, Clemens Hofmann und Mithun Pal (v.l.) stehen am UV-Breitband-Spektrometer. Bilder: Oliver Wolf / TU Graz