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Gasanalysen vor Ort durchführen

Das Massenspektrometer aus dem Rollkoffer

| Autor / Redakteur: Martina Peyer* / Marc Platthaus

Das mobile Massenspektrometer im Einsatz auf dem Soppensee im Kanton Luzern.
Das mobile Massenspektrometer im Einsatz auf dem Soppensee im Kanton Luzern. (Bild: Eawag)

Immer öfter verlagert sich die die Analyse vom Labor direkt in das Feld. Um dies zu gewährleisten, müssen Analysesysteme allerdings gewisse Voraussetzungen erfüllen. Lesen Sie, wie es Schweizer Wissenschaftlern der Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung & Gewässerschutz (Eawag) bei der Entwicklung eines mobilen Massenspektrometers gelungen ist, den Energieverbrauch zu verringern und gleichzeitig genaue Gasanalysen zu ermöglichen.

Dübendorf/Schweiz – Welche Auswirkungen haben vulkanische Gase im Kivusee in Zentralafrika? Wie funktioniert das Grundwassersystem des Rheins bei Pratteln? Auf welche Weise erzeugt eine Abfalldeponie in der Nordostschweiz möglichst wenig Treibhausgas? Das neue Eawag-Gerät, das mobile Massenspektrometer „miniRuedi“, erlaubt Wasser- und Gasanalysen vor Ort, um solche Fragen in kurzer Zeit zu beantworten. Beispielsweise konnten die Forscher in einer eintägigen Messkampagne in einer Deponie das Vorkommen verschiedener Gase untersuchen. Damit können Belüftungsmaßnahmen des Deponiekörpers optimiert werden, um die Entstehung von Methan, einem starken Treibhausgas, zu vermindern.

Mini-Ruedi im Rollkoffer

„Unser 13 Kilogramm schweres Gerät, das in einem Rollkoffer verstaut ist, können wir über Stock und Stein überall hin mitnehmen. Am Einsatzort installiert, misst Mini-Ruedi sofort und effizient Gase; so beeinflusst er das Probeumfeld nicht“, erklärt Matthias Brennwald, Umweltphysiker bei der Eawag und Entwickler des mobilen Massenspektrometers.

Das Gerät misst selbständig und kontinuierlich. Alle paar Minuten liefert es neue Messwerte verschiedener Gase. So kann sofort bestimmt werden, welche Standorte und Zeitpunkte für Probeentnahmen geeignet sind. Auch umfassende Aufnahmen sind möglich. „Analysen, die früher wegen der aufwändigen, monatelangen Laborarbeiten und daher auch aus finanziellen Gründen nicht vorstellbar gewesen wären, sind nun plötzlich möglich“, so Brennwald.

Zwei Wochen statt sechs Jahre

Beispielsweise benötigte das Eawag-Team für die vollständige Analyse von Grundwasser in Australien mithilfe des Mini-Ruedi bloss zwei Wochen. Mit herkömmlichen Vorgehensweisen und Instrumenten hätte das Team rund sechs Jahre im Labor verbracht, schätzt Brennwald.

Ergänzendes zum Thema
 
LP-Info: Mini-Ruedi im Einsatz rund um den Globus

Dennoch ist die Messgenauigkeit des neuen Gerätes für ihn verblüffend: Maximal ein bis drei Prozent betragen die Abweichungen; beim ungleich teureren, stationären Spektrometer im Labor rechnet man mit ein bis eineinhalb Prozent. Zudem würden lediglich 50 Watt Strom benötigt, also nicht mehr als für eine alte Glühbirne, und das Gerät brauche kaum Wartung, zählt Brennwald weitere Vorteile auf. Dazu gehört auch die Bedienerfreundlichkeit: „Ist man gewohnt, mit Messgeräten umzugehen, reicht ein Tag, um das Handling mit dem mobilen Gerät zu erlernen“, betont der Erfinder.

Komplex und doch simpel

Das mobile Massenspektrometer erscheint auf den ersten Blick komplex. Doch es ist aus lediglich vier Grundelementen zusammengesetzt: Über eine rund zehn Meter lange Kapillare wird das Gas langsam eingesaugt. Die Eawag-Mitarbeitenden sprechen vom „Rüssel“ – die Assoziation bei einer Tankstelle verhalf dem mobilen Massenspektrometer zu seinem Namen Mini-Ruedi. Zwei Pumpen erzeugen in der Messkammer das nötige Vakuum. Dort werden die Zusammensetzung eines Gases sowie die Häufigkeit der verschiedenen Gasmoleküle gemessen. Das Hirn des Massenspektrometers besteht aus der Elektronik, die mit der Brennwaldschen Software gesteuert wird. Von hier gelangen die Resultate zu einem Computer. Für Untersuchungen von Gasen in Gewässern – beispielsweise einem Teich – wird das Gas vor der Analyse mit einer Membran vom Wasser getrennt. Auf diese Weise kommen die heiklen Komponenten im Mini-Ruedi nicht mit Feuchtigkeit in Kontakt.

Spin-off Gasometrix gegründet

Seit dem ersten Projekt mit dem Mini-Ruedi vor gut zwei Jahren sind nun weitere acht Geräte im Einsatz – fünf bei der Eawag, vier an den Universitäten Genf und Tübingen sowie im Mont-Terri-Felslabor. Da unabhängig von Eawag-Projekten regelmäßig Anfragen für den Kauf eines Geräts eingehen, hat sich Matthias Brennwald in Absprache mit der Eawag entschieden, einen Spin-off zu gründen. Seit April entwickelt er unter dem Firmennamen Gasometrix die mobilen Massenspektrometer. Dies sei jedoch lediglich eine Nebenbeschäftigung, um der Eawag treu zu bleiben, erzählt er. Als ersten Kunden der eigenen Firma konnte er die Universität Oxford gewinnen.

Publikation: A Portable and Autonomous Mass Spectrometric System for On-Site Environmental Gas Analysis. Matthias S. Brennwald et al. Environ. Sci. Technol., 2016, 50 (24)

* M. Peyer, Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung & Gewässerschutz (Eawag), 8600 Dübendorf/Schweiz

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