Lasertechnik Lidar kann Methanlecks aus dem Orbit und dem Hubschrauber aufspüren

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Methan gehört zu den wirksamsten Treibhausgasen. Mit präziser Lidar-Technik lässt sich das Gas aus der Luft und dem All erfassen. Diodengepumpte Alexandritlaser liefern die Basis – hochstabil, mobil und weltraumtauglich.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt Lasersysteme zur hochpräzisen Detektion von Treibhausgasen wie Methan (CH₄) in der Atmosphäre. Mithilfe speziell angepasster Lidar-Technologie (Light Detection and Ranging) lassen sich Konzentrationen der klimasensitiven Gase über große Distanzen optisch erfassen – mit hoher spektraler Auflösung und in Echtzeit.

Zentraler Bestandteil der Messsysteme sind kompakte, diodengepumpte Alexandritlaser. Diese Festkörperlaser zeichnen sich durch eine hohe Wellenlängenstabilität im nahen Infrarotbereich aus mit typischerweise 760 bis 820 nm, was sie für spektral selektive Messverfahren wie die differentiell-absorbierende Lidar-Messung (DIAL) prädestiniert. Dank der aktiven Wellenlängenselektion lassen sich Absorptionslinien von Gasen wie Methan exakt ansteuern.

Einsatz in luft- und weltraumgestützten Anwendungen

Die Lasersysteme liefern hochenergetische, schmalbandige Pulssignale mit einer Wiederholrate im Kilohertz-Bereich – entscheidend für den Einsatz in luft- und weltraumgestützten Anwendungen, bei denen Masse, Volumen und Energiebedarf begrenzt sind.

Ein Leuchtturmprojekt ist die deutsch-französische Klimamission MERLIN (Methane Remote Sensing Lidar Mission). Der für 2027 geplante Kleinsatellit wird ein Lidar-System mitführen, das gezielt auf Methan ausgerichtet ist – einem Treibhausgas mit rund 25-fach höherem Treibhauspotenzial als CO₂ über einen Zeitraum von 100 Jahren.

Das Fraunhofer ILT liefert die Laser Optical Bench – das optische Herzstück des Instruments. Es sendet Laserpulse bei zwei nahe beieinanderliegenden Wellenlängen aus: einer, die stark von Methan absorbiert wird, und einer Referenzwellenlänge außerhalb der Absorptionslinie. Aus dem Verhältnis der rückgestreuten Signale lässt sich die Methankonzentration in der Atmosphäre zuverlässig bestimmen – auch in größeren Höhen oder bei wechselnden Wetterbedingungen.

Anwendung in mobilen Plattformen

Neben dem Einsatz im Orbit wird die Technologie auch in mobilen flugzeuggestützten Systemen getestet: In einem weiteren Projekt wurde das Lidar-System in einen Helikopter integriert, um die Methankonzentrationen aus der Luft zu messen. Dabei wird die Laserquelle über ein Glasfaserkabel mit einem externen Sendeteleskop verbunden, das außerhalb des Hubschraubers montiert ist. Diese Bauweise ermöglicht flexible Anpassungen an verschiedene Plattformen und erlaubt detaillierte In-situ-Messungen entlang von Pipelines oder in schwer zugänglichen Regionen – etwa zur Detektion von Leckagen in der Erdgasinfrastruktur.

Die Entwicklungen des Fraunhofer ILT zeigen exemplarisch, wie sich lasergestützte Sensorsysteme für Umwelt- und Klimadaten mit extremen Anforderungen realisieren lassen.

• Integration kompakter, hocheffizienter Lasermodule in mobile oder weltraumgestützte Plattformen,

• Ansteuerung, Synchronisation und Signalauswertung hochfrequenter Laserpulse in Echtzeit,

• thermische und mechanische Stabilität optischer Baugruppen unter orbitalen Bedingungen sowie

• verlässliche spektrale Kalibrierung über lange Einsatzzeiträume hinweg

Lidar-Systeme helfen bei der Fernerkundung der Umwelt, insbesondere für räumlich hoch aufgelöste globale Klimadaten. Methan kann gezielt und mit hoher Genauigkeit detektiert werden. Zum Beispiel für die Überwachung von Leckagen in Gasinfrastrukturen, in der Landwirtschaft, aber auch für internationale Klimamodelle und Emissionsbilanzen. (heh)

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