Emissionsmessung mit dem Smartphone Die Sensorik für Luftqualität auf dem Weg in den Massenmarkt

Der Bedarf an Gassensorik wächst im Umfeld des Internet of Things rapide. Allerdings müssen die elektronischen Spürnasen auf dem Weg in den Massenmarkt noch einige Hürden nehmen.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Heitec AG

Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT

Wer wissen will, was die Sensor-Community bewegt, für den lohnt sich ein Blick auf die jährlich stattfindende Sensor & Test in Nürnberg. Im Fokus der internationalen Leitmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik stand dieses Jahr das Internet of Things (IoT). Ein weiterer Messeschwerpunkt war „Environmental Sensing“. Gerade die Verbindung dieser beiden Themen ist spannend. Denn im Zuge des Trends zur smarten Umgebung und den vielen vernetzten Alltagsgegenständen wird der Gassensorik ein rasanter Bedeutungszuwachs prognostiziert, etwa vom renommierten Branchenanalysten Yole Développement (Gas Sensors Report 2016, Yole Développement).

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Das Bewusstsein für gute Luftqualität hat in der öffentlichen Wahrnehmung stark zugenommen. Sicherlich zurecht: Im Laufe unseres Lebens schleusen wir beinahe 350.000 kg Luft durch unsere Lungen, das ist um ein vielfaches mehr, als wir an Nahrungsmitteln und Wasser zu uns nehmen. Die Qualität dieses zu Recht genannte Lebensmittel Nr. 1 hat unmittelbaren Einfluss auf unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden.

Das beginnt schon in unseren eigenen vier Wänden: Steigt der CO₂-Anteil in Innenräumen auf über 1000 ppm, werden wir schnell müde und unkonzentriert oder bekommen sogar Kopfschmerzen. Möbel, Teppiche, Putzmittel oder Schimmelbefall können Quellen für Schadstoffemissionen sein – das merken wir aber oft erst, wenn sich gesundheitliche Beschwerden einstellen.

Im Fokus der öffentlichen Diskussion steht vor allem der Feinstaub. Die winzigen Staubpartikel sind besonders tückisch, da sie tiefer in die Atemwege eindringen als größere und beim Ausatmen nicht wieder ausgeschieden werden. Die baden-württembergische Landeshauptstadt Stuttgart musste Anfang des Jahres aufgrund besorgniserregend hoher Werte mehrmals einen Feinstaub-Alarm auslösen. Eine unbedenkliche Feinstaubkonzentration gibt es laut der Weltgesundheitsorganisation WHO nicht.

Das Smartphone als individuelle Messstation

Für viele Menschen stellt sich also zunehmend die Frage, was sie da eigentlich einatmen – zuhause, im Büro oder unterwegs. Die Luftgüte individuell jederzeit und an jedem Ort messen zu können, wäre noch vor einigen Jahren ein recht aufwendiges Unterfangen gewesen. Heute ist das anders: Die Vision eines Internet of Things, von der smarten, vernetzten Umgebung hat längst begonnen, in unserem Alltag Einzug zu halten – vor allem das Smartphone macht es möglich.

Mobile Apps in Smartphones sind für Yole denn auch die erste Adresse, wenn es um die Implementierung von Gassensorik bei Produkten für Endkunden geht. Während Wearables vor allem im Kontext der Messung von Bio-Parametern den Markt erobern, könnte sich das Smartphone in den kommenden Jahren als Messstation für „Environmental Sensing“ etablieren. Der Vorteil für den Nutzer: Die Ergebnisse haben dank der unmittelbaren räumlichen Nähe der „Messstation“ Smartphone eine hohe Aussagekraft und lassen sich jederzeit und an jedem Ort abrufen.

Heiß diskutiert werden auch so genannte „Pollution Maps“, die sich nicht wie bisher auf punktuellen Messstationen, sondern aus den Daten unzähliger Smartphones speisen und eine extrem hochauflösende „Verschmutzungslandkarte“ eines Gebietes erstellen können.

Bis zu 20 verschiedene Sensoren finden heute schon im Inneren eines Smartphones Platz: Darunter auch schon Umweltsensoren wie etwa zur Messung von Feuchtigkeit oder Temperatur. Um Parameter der Umgebungsluft zu messen, muss die Luft allerdings erst einmal zum Sensor gelangen. Man benötigt daher eine Öffnung im Gehäuse, in dessen Nähe der Sensor platziert wird. Selbst dann weisen Umweltsensoren im Smartphone bislang sehr lange Ansprechzeiten auf, die mit Hilfe spezieller Software-Algorithmen verkürzt werden können.

Forscher des Fraunhofer EMFT verfolgen derzeit noch einen anderen Ansatz: Mit einer winzigen Silizium-Mikropumpe, die in der Nähe der Gehäuseöffnung platziert wird, führen sie dem Sensor im Smartphone-Inneren aktiv Luft zu. Damit konnte eine 50-fache Verbesserung der Reaktionszeit erreicht werden, außerdem waren die Messergebnisse genauer (Bild 1). Perspektivisch wäre es auch denkbar, mit der Mikropumpe die zugeführte Luft aufzukonzentrieren und so die Sensitivität des Sensors zu steigern.

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