Gas- und Geruchssensoren verbessern Elektronische Nasen für besseres Plastik-Recycling

Nahezu alles riecht, auch Kunststoffe – und selbst wenn wir Menschen es nicht bewusst wahrnehmen, gelangen oft flüchtige Substanzen in die Luft. „Elektronische Nasen“ können mit unermüdlicher Genauigkeit helfen, die Qualität von Recycling zu bewerten oder die Gesundheit der Verbraucher zu schützen. Ingenieure der Universität des Saarlandes präsentieren ihre Gas- und Geruchssensoren auf der Hannover Messe

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Universität des Saarlandes Fakultät 8/Naturwissenschaftl. Technische Fakultät III

Ein neues Smartphone, die quietschbunte Lunchbox, der Badevorhang mit dem Streifenmuster – all das besteht ganz oder teilweise aus Kunststoff. Und all das verströmt diverse Substanzen und Gerüche. Oft ist gar nicht klar, ob sie eventuell schädlich sind – oder einfach nur unangenehm stinken. Spezialisten der Universität des Saarlandes und der 3S GmbH, einer Ausgründung des Lehrstuhls für Messtechnik, präsentieren vom 30. Mai bis 2. Juni auf der Hannover Messe die neueste Generation von Gas- und Geruchssensoren, die diese Zweifel beseitigen sollen.

Schlechtem Recycling auf der Spur

Tatsächlich ist die Messung von Gerüchen und Gasen nicht nur für Gesundheitsfragen relevant, sondern auch für das Thema Nachhaltigkeit. „Inzwischen werden ja zum Beispiel Kunststoffe für viele Anwendungen recycelt. Es gibt Autohersteller, die machen bereits heute Sitze aus wiederaufbereitetem Kunststoff“, sagt Prof. Andreas Schütze von Universität des Saarlandes. Und hier wird es heikel. „Ich habe mal an einem Sack Kunststoffgranulat gerochen, der hat auch nach mehreren Reinigungen immer noch nach Waschmittel gerochen, denn das Granulat ist aus alten Waschmittelflaschen gewonnen worden“, erzählt Schütze. Dieses Plastik für etwas anderes zu verwenden, ist dann so gut wie ausgeschlossen. Insbesondere für Lebensmittelverpackungen sind solche Kunststoffe bisher undenkbar. Schließlich will wohl niemand in einen Apfel beißen, der nach Waschmittel schmeckt.

Ingenieure wie Schütze könnten hier in Zukunft helfen, das richtige Plastik für die richtige Wiederverwendung zu finden. Denn er erforscht zusammen mit Kollegen von der Firma 3S u. a., wie Sensoren zuverlässig Gerüche identifizieren. Gelingt es Sensoren, zweifelsfrei auch kleinste Geruchsrückstände beim Plastikrecycling aufzuspüren, könnten Kunststoffe viel zielgenauer wiederverwertet werden. Mit denselben Sensortechnologien können auch gesundheitsschädliche Stoffe, egal ob aus der alten Nutzung der Materialien oder entstanden während des Recyclings, erkannt und bewertet werden. Das sind nur zwei Beispiele für die Anwendungsmöglichkeiten von Gas- und Geruchssensoren, die Schütze und 3S erforschen. Auf der Hannover Messe Ende Mai stellen sie gemeinsam die Einsatzfelder dieser „digitalen Testpersonen“ vor.

Wildwuchs auf dem Markt für Luftqualitäts-Messgeräte

Ein großes Zukunftsthema ist etwa die Luftqualität in Innenräumen, was sowohl unangenehme Gerüche als auch die Belastung mit (nicht immer zu riechenden) Schadstoffen betrifft. „Heutzutage verströmen viele Gegenstände, Möbel, Teppiche und nicht zuletzt auch wir Menschen in Innenräumen flüchtige organische Substanzen oder Volatile Organic Compounds, so genannte VOC“, sagt Schütze. Aber die genaue Zusammensetzung dieses Gasgemisches kann bisher nicht kontinuierlich mit einheitlichen Methoden gemessen werden. Die Saarbrücker Ingenieure erarbeiten dazu gerade eine Prüfnorm, die dann möglicherweise bei der Zulassung entsprechender Geräte zum Einsatz kommt.

Bisher jedoch herrscht Wildwuchs auf dem Markt für Luftqualitäts-Messgeräte. „Wir wissen jedoch, dass diese VOC auch für viele der als unangenehm empfundenen Gerüche in Innenräumen verantwortlich sind. Wir wissen aber häufig nicht, um welche Verbindungen es sich genau handelt oder welche darüber hinaus auch gesundheitsschädlich sind und welche nicht“, erläutert Caroline Schultealbert von 3S.

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Selbst Profi-Nasen werden träge

Ob bestimmt Gerüche vorliegen oder nicht, könnten Sensorsysteme gut messen. Mit Methoden des maschinellen Lernens identifizieren sie sehr zielgenau Gerüche und Schadstoffe in Industrie, Büro und in Privathaushalten, aber auch in Außenbereichen, etwa im Umfeld von Industrieanlagen. „Autohersteller haben zum Beispiel Teams aus bis zu fünf Fachleuten, die neue Modelle auf Gerüche hin prüfen“, erläutert Schütze. Das sind alles speziell ausgebildete Geruchsexperten. „Aber nach kurzer Zeit riechen die auch nicht mehr so genau. Das liegt an der menschlichen Nase, die nach einer gewissen Gewöhnung Gerüche nicht mehr so gut wahrnimmt.“ Sprich: Wenn’s stinkt, ist es nach einer gewissen Zeit nicht mehr so schlimm. Oder – umgekehrt – das angenehme Parfum riecht nicht mehr so auffallend gut wie in den ersten Minuten.

Hier helfen Sensoren, die unermüdlich und ohne die subjektiven Verzerrungen eines menschlichen Gehirns Gerüche wahrnehmen können. „Die menschliche Nase braucht man aber immer noch als Referenz“, betont die 3S-Forscherin Schultealbert. Die Menschen sind dann die übergeordnete Instanz, die die Arbeit der Sensoren nochmals genauer in Augenschein nehmen sollen. Die auf objektiven Messungen fußende Arbeit der Sensoren ist also einerseits zuverlässiger als die fehlbare menschliche Nase. „Darüber hinaus ist es auch deutlich günstiger, als zum Beispiel fünf top ausgebildete Riech-Spezialisten zu bezahlen“, gibt Schütze zu bedenken.

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Für die Sensoren macht es keinen Unterschied, ob sie gesundheitsbelastende Schadstoffe im Innenraum messen sollen, die geruchsfrei sind, oder unangenehme Gerüche, die allerdings nicht zwangsläufig schädlich sein müssen. „Die Technologie dabei ist immer dieselbe“, sagt Schütze. „Die Sensoren werden temperaturzyklisch betrieben und erzeugen so charakteristische Signalmuster.“

Von grundlegender Bedeutung sei viel mehr, die Sensoren richtig zu kalibrieren, betont der Experte für Messtechnik. Es gebe Sensoren, die schlagen auf wenige Gase und Verbindungen zuverlässig an, aber die sind nicht sehr feinfühlig, um es nach menschlichen Maßstäben zu bewerten. „Wir haben jedoch eine spezielle Gas-Mischanlage, die 18 unterschiedliche Gase in jeder möglichen Konzentration untereinander mischen kann“, sagt Dennis Arendes, Mitarbeiter in der Gruppe von Schütze. „Auf diese Weise können wir nahezu jedes denkbare Gasgemisch erzeugen, womit wir die Sensoren im Anschluss kalibrieren.“

Die Kombinationsmöglichkeiten seien nahezu unendlich, was weltweit nur ganz wenige Gasmischer leisten könnten. Herkömmliche so genannte voll-faktorielle Versuche, mit denen automatisch alle denkbaren Mischungsverhältnisse durchgespielt werden, sind hier nicht mehr einsetzbar, da die Kombinationsmöglichkeiten zu viel Zeit erfordern würden. Der Gasmischer erzeugt daher bei der Kalibrierung lediglich einige hundert völlig zufällige Gasgemische, mit denen der Sensor dann mittels Künstlicher Intelligenz lernt, auf welche Stoffe und Gemische er reagieren soll. „Diese Kombination aus komplexer Anlagentechnik, dynamisch betriebenen Sensoren und KI ist es, was unsere Sensorsysteme so einmalig macht“, sagt Schütze.

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