Mobiles Gerät zur hochpräzisen Messung von Luftschadstoffen präsentiert
UV-Dualkamm-Spektrometer von Birgitta Schultze-Bernhardt und Team detektiert Gase mit bislang unerreichter Genauigkeit und Empfindlichkeit.
Birgitta Schultze-Bernhardt hat mit ihrem Team am Institut für Experimentalphysik der TU Graz ein neuartiges UV-Dualkamm-Spektrometer entwickelt, das gasförmige Luftschadstoffe mit bisher unerreichter Genauigkeit und Empfindlichkeit detektiert. Mittels eines ultravioletten Doppellaserlichts misst das Gerät innerhalb einer halben Sekunde die Konzentration schädlicher Gase wie Formaldehyd. Durch die kompakte Bauweise und eine Messreichweite von bis zu zweieinhalb Kilometern eignet sich das Spektrometer nicht nur für Laboranalysen, sondern auch für mobile Messungen von Luftschadstoffen und Gaslecks in Städten, Industriegebieten und landwirtschaftlichen Regionen.
Als Ausgangspunkt für seine Messung erzeugt das Gerät innerhalb von Sekundenbruchteilen zwei Laserimpulse im ultravioletten Spektralbereich. Trifft dieses UV-Licht auf Gasmoleküle, regt es diese elektronisch an und bringt sie zum Rotieren und Vibrieren – rovibronische Übergänge treten auf. Diese sind bei jedem gasförmigen Stoff anders und verschlucken auf einzigartige Weise einen Teil des Laserlichts. „Jeder Luftschadstoff hat also seinen eigenen Fingerabdruck, den unser UV-Dualkamm-Spektrometer erkennt“, sagt Schultze-Bernhardt.
Die erste Version ihres Spektrometers hatte sie vor gut zwei Jahren mit ihrem Team entwickelt. Es war damals das Erste seiner Art weltweit, für die Messungen waren jedoch große Aufbauten im Labor notwendig. Die neue Version ist auf die Größe eines Umzugskartons geschrumpft. Dies ist unter anderem deswegen möglich, weil nun eine statt zwei Laserquellen den Doppellaserimpuls erzeugt. „Dadurch können wir auch auf die aufwendige elektronische Stabilisierung des Systems verzichten“, erläutert Schultze-Bernhardt.
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Das neue Spektrometer kann die Frequenzen des UV-Lichts mit einer Auflösung von 1 GHz detektieren und übertrifft damit alle herkömmlichen UV-Spektrometer deutlich. Dadurch konnten die Forschenden bei Tests mit Formaldehyd neue, grundlegende Erkenntnisse über die UV-Licht-Absorption des Luftschadstoffs gewinnen: „Wir haben Absorptionsmuster gemessen, die vorher noch nie experimentell beobachtet wurden, da die Auflösung bisheriger Geräte zu ungenau war“, sagt Schultze-Bernhardt.
Durch die Messungen in Graz haben sich die Rotationskonstanten von Formaldehyd, die seit den 1960er-Jahren in Physik-Datenbanken und Lehrbüchern stehen, als falsch herausgestellt. „In Zusammenarbeit mit dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Atomic and Molecular Physics in den USA haben wir die Werte dieser fundamentalen, molekülspezifischen Kenngröße um bis zu 15 Prozent korrigiert“, sagt Schultze-Bernhardt. Zu diesem Fortschritt in der Grundlagenforschung beigetragen hat auch die Zusammenarbeit mit Rolf Breinbauer vom Institut für Organische Chemie der TU Graz, der in einem zweistufigen Verfahren hochreines Formaldehyd für die Untersuchungen herstellte.
Über die Grundlagenforschung hinaus hat das Spektrometer das Potenzial, die Messung von Luftschadstoffen und Gaslecks in Städten und Industriegebieten wesentlich präziser und einfacher zu machen. „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. Gefördert durch einen Proof of Concept Grant des europäischen Forschungsrats entwickelt die Experimentalphysikerin derzeit zudem ein UV-Spektrometer, das auch von Laien zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt werden kann, etwa in Unternehmen oder Umweltbehörden. [TU Graz / dre]
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