10 Sep. Raman-Lidar spürt Wasserstofflecks auf
Das unter anderem in der Energieversorgung, Industrie und Infrastruktur eingesetzte Gas Wasserstoff ist farb- und geruchlos und weist nur schwache optische Absorptionsmerkmale auf. Entsprechend wichtig ist eine zuverlässige Leckageerkennung aus sicherer Entfernung, etwa in Kraftwerken, Produktionshallen oder an Pipelines. Im Verbundprojekt Radiant (Raman Atmospheric Detection and Ranging Technology) entwickeln das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und das Fraunhofer-Zentrum für Angewandte Photonik CAP in Glasgow ein kompaktes Raman-Lidar-System zur Gasdetektion aus der Distanz.
Die Raman-Lidar-Technologie nutzt nach Angaben der Kooperationspartner die charakteristische Raman-Streuung von Molekülen nicht nur, um verschiedene Gase zu identifizieren, sondern auch über Lichtlaufzeitmessungen ihre Position zu bestimmen.
Detektorarrays anstatt Spektralfilter
Eine technische Herausforderung sind die Raman-typischen sehr schwachen optischen Signale, die insbesondere bei Messungen im Freien und bei hellem Sonnenlicht häufig nur im Bereich einzelner Photonen liegen. Bisherige Raman-Lidar-Systeme sind oft auf wenige, zuvor festgelegte Moleküle ausgelegt. Radiant verfolgt deshalb einen flexibleren Ansatz: Lineare Detektorarrays sollen die bisherige filterbasierte spektrale Aufteilung ersetzen. Dadurch soll sich die molekulare Flexibilität erhöhen und perspektivisch eine universellere Moleküldetektion ermöglichen. Das System arbeitet im solar-blinden UV-B- und UV-C-Bereich, in dem die solare Hintergrundstrahlung stark reduziert ist. Dadurch sind Messungen bei Tageslicht möglich, erklären die Forschenden. Zugleich steigt die Empfindlichkeit.
Hochempfindliche Silizium-PMs
Das Fraunhofer IMS entwickelt dafür rückseitenbeleuchtete Silizium-Photomultiplier (BSI-SiPMs) mit erhöhter UV-Empfindlichkeit. „Die Detektoren sind speziell für die Anforderungen zeitaufgelöster Raman-Messungen optimiert und ermöglichen die Detektion extrem schwacher Signale bei gleichzeitig hoher zeitlicher Auflösung“, sagt Dr. Maren Kasischke, Leitung Industry am Fraunhofer IMS.
Ein weiterer Entwicklungsschritt ist eine Ausleseschaltung für bis zu 32 Kanäle. Sie soll die parallele und schnelle Verarbeitung aller Spektroskopiesignale ermöglichen. Damit lassen sich Raman-Spektren mit hoher zeitlicher und spektraler Auflösung erfassen und flexibel auf unterschiedliche Moleküle anpassen.
Die entwickelten Detektor- und Auslesetechnologien sollen zudem die Grundlage für anwendungsnahe Demonstratoren bilden, die perspektivisch in marktfähige Produkte überführt werden können. Radiant wird durch das Fraunhofer Joint Capability Building Programme gefördert.
Gasüberwachung mit kompakter Sensorik
Als ergänzenden Ansatz entwickelt das Fraunhofer IAF eine kostengünstige, großflächige und sonnenblinde Detektortechnologie für den späteren Einsatz in Handgeräten mit angepasster Systemleistung. Das Fraunhofer CAP koordiniert das Projekt und bringt Erfahrung in der Entwicklung von Raman-Lidar-Systemen ein. Schwerpunkte sind die zuverlässige Fernerkennung von Gasen sowie die Integration der Komponenten in ein praxistaugliches Gesamtsystem.
Für Betreiber von Energie- und Industrieanlagen kann die Technologie neue Möglichkeiten zur kontinuierlichen Überwachung von Infrastrukturen eröffnen, insbesondere im Kontext einer wachsenden Wasserstoffwirtschaft. Durch die erweiterte molekulare Flexibilität sollen unterschiedliche Gase erkannt werden können, ohne die Sensorik vorab auf einzelne Substanzen festzulegen. Zugleich zielt das Projekt darauf ab, Größe, Komplexität und Kosten der Systeme zu reduzieren und kompakte, mobile oder fest installierte Lösungen für verschiedene Anwendungsszenarien zu ermöglichen.
Quelle: www.ims.fraunhofer.de
Bild: Teilweise KI-generiert / Canva / Fraunhofer IMS