Schadstoffmessung aus der Ferne

Stickoxide gehören zu den wichtigsten atmosphärischen Schad­stoffen. Sie verursachen sauren Regen und Sommer­smog und haben einen negativen Einfluss auf die Umwelt sowie auf unsere Gesundheit. Bodennahe Stick­oxide tragen zur Ozon­bildung bei und gehören daher auch zur Klasse der klima­schädlichen Gase. Stick­oxide fallen bei Verbrennungen an, etwa im Auto­motor oder in Kohle­kraft­werken. Forscher der TU Wien haben eine neue Methode entwickelt, Stick­stoff­monoxid und Stick­stoff­dioxid mit Laser­strahlen zu detektieren. Dadurch können Stickoxid-Konzen­trationen in der Luft auf große Entfernung in Echtzeit hoch­präzise gemessen werden. Dem Forschungs­team um Bernhard Lendl gelingt es damit sogar, unter­schiedliche Emissions­quellen – etwa Motoren­typen vorbeifahrender Autos – an der charakte­ris­tischen Schadstoff-Signatur zu unterscheiden.

Jedes Molekül hat im elektromagnetischen Spektrum einen ganz speziellen energe­tischen Finger­abdruck. Nur Licht mit ganz bestimmten Wellen­längen wird absorbiert und regt das Molekül zu Schwingungen oder Rotationen an. Welche Licht-Wellen­längen auf diese Weise absorbiert werden, ist von Molekül zu Molekül unter­schiedlich. Lendl und seine Mitarbeiter verwenden Quanten-Kaskaden-Laser, die Licht im mittleren Infrarot-Bereich aussenden. Ein Laserpuls dauert weniger als eine Millionstel Sekunde, doch bereits in dieser winzigen Zeitspanne erwärmt sich der Laser ein bisschen, wodurch sich die Wellen­länge des ausgesandten Lichts verschiebt. Wird der Laser richtig betrieben, können dadurch charakte­ristische Frequenzen des gesuchten Moleküls über­strichen werden. So kann man mit einem einzigen Laserpuls ein aussage­kräftiges Mini-Spektrum des Moleküls aufnehmen.

Zwei verschiedene Laser werden im neu entwickelten Mess­­gerät verwendet, einer maß­geschneidert für Stick­stoff­monoxid, der andere für Stick­stoff­dioxid. Das Licht wird über eine längere, offene Strecke zu einem Spiegel geschickt, reflektiert, und von einem rasch ansprechenden, hoch­empfindlichen Detektor gemessen. Befinden sich Stick­oxid-Moleküle in der Test­strecke, kann man aus der gemessenen Licht­intensität während eines Laser­pulses ein Mini-Spektrum errechnen und so direkt auf die Konzentration der gesuchten Moleküle in der Luft schließen.

„Bei den meisten anderen Messmethoden müssen die Gase zuerst auf­bereitet werden, eine unabhängige Detektion von Stick­stoff­monoxid und Stick­stoff­dioxid ist daher kaum möglich.“, sagt Johannes Ofner von der TU Wien. „Mit der von uns angewendeten Laser­spektro­skopie können die Moleküle sehr rasch und mit hoher Präzision einzeln gemessen werden.“ Hundert­tausende Licht­pulse pro Sekunde geben die Laser ab. Selbst wenn man tausende Messungen mittelt, um die Genauig­keit zu erhöhen, kann man so hunderte Mess­werte in der Sekunde erhalten. Die zeitliche Änderung der Stick­stoff­konzentration lässt sich somit genau abbilden, das gelingt sogar auf große Distanzen – Laser und Detektor können bei dieser Methode auch mehrere hundert Meter weit voneinander entfernt sein.

Das Forscherteam testete die Methode am Straßen­verkehr in der Wiener Innen­stadt, dabei konnte die Abgas­signatur unter­schiedlicher Motoren­typen unter­schieden werden. Auch im Schlot des Dampf­kraft­werks Dürnrohr in Nieder­österreich wurde gemessen. „Das war eine ganz besondere Heraus­forderung, weil wir es dort mit Wasser­dampf zu tun hatten, den die Infrarot-Laser­strahlen nur schwer durch­dringen können“, sagt Lendl. „Trotzdem gelang es uns auch dort sehr gut, die Konzentration von Stickstoff­monoxid und Stickstoff­dioxid direkt und in Echtzeit zu messen.“

„Da praktisch alle kleinen Moleküle charakte­ristische Absorptions­linien in der Gasphase aufweisen, lässt sich die Technologie auch für andere Analyten und Aufgaben­stellungen einsetzen“, so Lendl. Anwendungs­ideen für die neue Mess­technik gibt es daher viele, auch für eine Überwachung des Schiffs­verkehrs könnte man die Laser-Methode nutzen. „Gerade Schiffe verwenden manchmal Treibstoffe, die zu recht schmutzigen Abgasen führen. Mit unserer Technik könnte man etwa quer über die Donau messen und den Schadstoff­ausstoß überwachen.“

TUW / RK