Drohne auf Methanjagd
Mobiler Quantenkaskaden-Laser misst Methanemissionen über Gas- und Ölfeldern.
Methan ist einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung, dennoch ist der Beitrag der einzelnen Methanquellen noch immer nicht exakt bekannt. Eine solche Quantifizierung wäre allerdings dringend nötig, um Maßnahmen zu ergreifen, mit denen die Klimaziele der Vereinten Nationen erreicht werden können. Im Rahmen des Horizon2020-Projektes MEMO2 – Methane goes Mobile, Measurements and Modelling – fokussieren sich zwanzig Forschungsgruppen aus sieben Ländern auf die Ermittlung der Methanquellen und die Quantifizierung von deren Emissionen mittels mobiler Analysegeräte – darunter auch die Empa in der Schweiz.
Einen besonderen Fokus legten die Forscher auf Rumänien. Mit seinen zahlreichen Öl- und Gasfeldern ist das Land eine der Hauptquellen der europäischen Methanemissionen. Methan tritt über die Bohrschächte dieser Felder an die Oberfläche und entweicht teilweise in die Atmosphäre. Bislang konnten sehr genaue Methanmessungen nur mit stationäre Messgeräte durchgeführt werden. Diese werden zwar manchmal in Fahrzeuge eingebaut, können dann aber nur genau entlang der Straße eingesetzt werden – ein aufwändiges und unbefriedigendes Unterfangen.
Empa-Forschern gelang es nun jedoch, ein präzises und leichtes Messgerät zu entwickeln, das auf eine Drohne montiert werden kann um die CH4-Konzentrationen zu messen und damit die Emissionen zu bestimmen. „Das neue Spektrometer ist ein Durchbruch in der Analytik von Spurengasen bezüglich Messgenauigkeit, Größe und Gewicht“, erklärt Lukas Emmenegger, Leiter der Abteilung Luftfremdstoffe / Umwelttechnik. Um das Methan zu quantifizieren, nutzen Emmenegger und sein Team einen Quantenkaskaden-Laser. Mit Hilfe des auf der Drohne montierten Spektrometers kann die dreidimensionale Verteilung von Methan in der Umgebung einer Quelle bestimmt werden. Kombiniert man diese Daten mit Windmessungen, dann können die Forscher daraus die Emission einer Quelle berechnen.
Die Drohne hat zudem den Vorteil, dass sie Messungen an vom Boden aus schwer zugänglichen Orten erlaubt. So lassen sich mit der Drohne etwa größere Quellen oder Teile von Ölfeldern überfliegen um daraus zu bestimmen, an welchen Orten Methan in welchen Mengen an die Oberfläche gelangt. Mit solchen detaillierten Messungen lassen sich künftig konkrete Maßnahmen treffen und überprüfen, um die Methanemissionen weiter einzudämmen. Daran ist auch die Industrie interessiert, bestätigt Emmenegger. „Unsere neue Messtechnik hat schon zu zahlreichen Anfragen aus Industrie und Forschung geführt. Daraus ergeben sich viele spannende Projekte im Bereich der natürlichen und vom Menschen verursachten Methanquellen.“
Doch nicht nur Methan steht auf der Liste der Umweltschadstoffe. Dazu gehören auch Kohlendioxid, Ozon und Ammoniak. Instrumente, die diese Gase messen können, sind jedoch komplex, teuer und benötigen viel Energie, denn jedes Gas muss mit einer separaten Methode gemessen werden – zumindest bis jetzt. Die beiden ehemaligen Empa-Forscher Morten Hundt und Oleg Aseev haben ein QCL-Spektrometer entwickelt, das zehn Umweltgase gleichzeitig detektieren kann. Vor kurzem gründeten sie damit das Spin-off MIRO Analytical Technologies und konnten bereits zahlreiche Erfolge feiern. Unter anderem erhielten sie Anfang 2020 im Rahmen des Accelerator-Programms des European Innovation Council 1.25 Millionen Euro an Fördergeld. Zudem sind sie seit Januar 2019 Teil des Business Inkubators der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA, denn ihr High-Tech-Sensor kann als wichtige Referenz – am Boden oder flugzeuggestützt – für die Beobachtung von Umweltgasen mittels Satelliten dienen.
Die Esa setzt bei den Vorbereitungen für die CO2M-Satellitenmission – Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring – ebenfalls auf die Expertise der Empa. Ab 2025 sollen die ersten CO2M-Satelliten in den Orbit geschickt werden, die mit Hilfe von spektroskopischen Messungen globale Karten der CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wieviel CO2 von Industrieanlagen, Städten und Ländern emittiert wird. „Wir konnten der Esa verschiedene Empfehlungen für die analytische Ausstattung der Satelliten geben“, so Gerrit Kuhlmann. So muss der Satellit etwa in der Lage sein, die vom Mensch erzeugte CO2-Emission von den Signalen der Biosphäre zu unterscheiden.
Die Idee dahinter: Ein kombiniertes Messgerät, das CO2, aber auch zusätzlich Stickstoffdioxid detektiert. „Bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht nämlich nicht nur CO2, sondern auch große Mengen an Stickoxiden, nicht jedoch bei der natürlichen Atmung der Biosphäre, die ausschließlich CO2 produziert“, so Kuhlmann. Ein zusätzliches NO2-Instrument sollte also in der Lage sein, anthropogene und bio-sphärische CO2-Signale voneinander zu trennen. Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO2- und der NO2-Konzentrationen für das Jahr 2015. Die aufwändigen Simulationen wurden auf dem Piz Daint-Supercomputer am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano durchgeführt. Dabei konnten die Forscher zeigen, dass eine Kombination der Messungen von CO2 und NO2 bessere und verlässlichere Resultate liefert, als wenn nur ein CO2-Messgerät auf dem Satelliten verbaut wäre. Die Empfehlung für den Einbau eines zusätzlichen NO2-Messinstruments wurde von der Esa bereits in die Planung der neuen Satelliten übernommen.
Empa / JOL
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