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Messgerät für Luftschadstoffe Mobiles UV-Spektrometer kann Gaslecks auf 2,5 km detektieren

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Ein Team der TU Graz hat ein UV-Dualkamm-Spektrometer entwickelt, das gasförmige Schadstoffe mit extrem hoher Empfindlichkeit detektiert. Für Elektronikentwickler besonders spannend: Durch ein neues Optik-Design konnte das System auf die Größe eines Umzugskartons geschrumpft und die Komplexität der Steuerungselektronik massiv reduziert werden.

Birgitta Schultze-Bernhardt mit einem Retroreflektor, der bei Außenmessungen verwendet wird. Mit dem UV-Messgerät lassen sich Luftschadstoffe detektieren.(Bild: Wolf/TU Graz)
Birgitta Schultze-Bernhardt mit einem Retroreflektor, der bei Außenmessungen verwendet wird. Mit dem UV-Messgerät lassen sich Luftschadstoffe detektieren.
(Bild: Wolf/TU Graz)

Bisher waren UV-Dualkamm-Spektrometer komplexe Laboraufbauten. Das Team um Birgitta Schultze-Bernhardt am Institut für Experimentalphysik der TU Graz hat nun einen Durchbruch in der Gerätetechnik erzielt. Das von dem Team entwickelte System misst Schadstoffkonzentrationen wie Formaldehyd innerhalb von 0,5 Sekunden mit einer hohen spektralen Auflösung.

Auf die Laserquelle kommt es an

Der entscheidende Kniff für die Mobilität und Robustheit des Geräts liegt in der Laserquelle. Während die erste Generation noch zwei hochpräzise, aktiv synchronisierte Laserquellen benötigte, nutzt die Neuentwicklung ein Ein-Laser-Design, das den Doppellaserimpuls generiert. Aus Sicht der Systementwicklung ergeben sich daraus signifikante Vorteile:

  • Verzicht auf aktive Phasenstabilisierung: Das System arbeitet nach dem sogenannten Free-Running-Prinzip. Da beide Pulse aus derselben Quelle stammen, entfällt die aufwendige elektronische Regelungstechnik (Phase-Locked Loops) zur Synchronisation.
  • Reduzierte Rechenlast: Durch die inhärente Stabilität des Ein-Laser-Aufbaus sinken die Anforderungen an die Echtzeit-Signalverarbeitung der detektierten Interferenzmuster.
  • Miniaturisierung: Der gesamte Aufbau schrumpfte auf das Format eines Umzugskartons, was den Einsatz auf mobilen Messplattformen erst ermöglicht.

60 Jahre alte Referenzwerte korrigiert

Das Spektrometer arbeitet im ultravioletten Wellenlängenbereich und regt elektronische Übergänge sowie Rotations- und Vibrationszustände (rovibronische Übergänge) der Gasmoleküle an. Mit einer Auflösung von 1 GHz detektiert das System Absorptionsmuster, die für herkömmliche UV-Spektrometer unsichtbar bleiben.

Wie wichtig diese Hardware-Präzision und eine saubere Kalibrierung sind, zeigte sich bei Tests mit hochreinem Formaldehyd, welches am Institut für Organische Chemie der TU Graz hergestellt wurde: In Zusammenarbeit mit dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics konnten die Forscher fundamentale Rotationskonstanten um bis zu 15 Prozent korrigieren, die seit den 1960er-Jahren als Standard galten,

Multispektrale Messung und Field-Use

Mit einer Reichweite von bis zu 2,5 Kilometern via Retroreflektor zielt das Gerät auf die Fernüberwachung von Industriearealen ab. Die aktuelle Entwicklung fokussiert sich auf zwei Bereiche. 1. Multispektrale Detektion: Die Hardware-Architektur wird so erweitert, dass die Konzentration mehrerer unterschiedlicher Schadstoffe mit einer einzigen Messung und anschließender digitaler Signaltrennung bestimmt werden kann. 2. User Experience: Gefördert durch einen „Proof of Concept Grant“ des Europäischen Forschungsrats (ERC), soll das System so weit automatisiert werden, dass es ohne Expertenwissen in Umweltbehörden oder Unternehmen eingesetzt werden kann. (heh)

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