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Mobile Analytik Mobil und flexibel: Massenspektrometer und Lecksuchgeräte

Autor / Redakteur: Heinz Barfuss* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Mobile Analytik hat andere Anforderungen als fest installierte Laborsysteme. Gerade die Abmessungen und das Gewicht sind hier von entscheidender Bedeutung für die Mobilität. Lesen Sie, was dies für das Vakuumsystem von Massenspektrometern und Lecksuchgeräten bedeutet.

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Prof. Dr. Andres Diaz von der University of Costa Rica mit dem mobilen Massenspektrometersystem auf einem Vulkan in Italien.
Prof. Dr. Andres Diaz von der University of Costa Rica mit dem mobilen Massenspektrometersystem auf einem Vulkan in Italien.
(Bild: Pfeiffer Vacuum)

Immer mehr Anwendungen erfordern Analysesysteme, die einfach transportiert und dadurch mobil eingesetzt werden können. Mobile Gasanalyse, Massenspektrometrie und Lecksuche kommen unter anderem bei Untersuchungen von Umweltbelastungen durch Straßen- und Luftverkehr, bei der Qualitätsanalyse von Wasser, der Detektion von Spreng- und Giftstoffen an Flughäfen sowie bei der mobilen Atemgasanalyse zum Einsatz.

Die Herausforderungen der mobilen Analytik an das eingesetzte Vakuum­equipment sind anspruchsvoll: Die Vor- und Hochvakuumpumpen sowie die Massenspektrometer müssen in erster Linie klein und leicht sein. Darüber hinaus sollten sie einen geringen Energiebedarf haben und auch in Bewegung bei leichten Erschütterungen betriebssicher arbeiten können. Tabelle 1 (in der Bildergalerie) liefert einen detaillierten Überblick über die Anforderungen.

Massenspektrometersystem im Fahrzeug

An der Northern Texas University in den USA haben Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Guido Verbeck ein mobiles Massenspektrometersytem entwickelt, das im Kofferraum eines Hybrid-PKW installiert wurde. Dort wird es zum Beispiel verwendet, um direkt vor Ort negative Einflüsse von Fracking-Feldern auf die Umwelt zu untersuchen.

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Wichtigste Herausforderung dieses mobilen Systems: Alle Vakuumkomponenten müssen mit 24 V Gleichstrom betrieben werden. Weitere Kriterien für die Auswahl des optimalen Equipments waren:

  • niedriges Gewicht,
  • kleiner Bauraum,
  • geringste Leistungsaufnahme für langen Batteriebetrieb sowie
  • Robustheit des Vakuumequipments gegenüber Erschütterungen.

Die Wahl der Forscher fiel angesichts dieser hohen Qualitätsanforderungen auf die Lösungen von Pfeiffer Vacuum. In dem in Abbildung 1 gezeigten System sind neben dem Analysator eine spezielle kleine Splitflow-Turbopumpe und eine Membranpumpe MVP 003 mit DC-Antrieb als Vorpumpe eingebaut.

Pilotprojekt: Tragbare Massenspektrometersysteme

Pfeiffer Vacuum hat in einem Pilotprojekt einen Prototyp eines Vakuumsystems für ein tragbares Massenspektrometersystem entwickelt. Es ist auf einem Tragegestell montiert und kann dank seines geringen Gewichts von nur neun Kilogramm wie ein Rucksack problemlos transportiert werden. Die Stromversorgung erfolgt über eine eingebaute 24 V DC-Lithium-Ionen-Batterie. Somit ist das System komplett unabhängig von einer Stromquelle. Eine gewichtsoptimierte Turbopumpe vom Typ HiPace 10 mit 10 l/s Saugvermögen und eine zweistufige Membranpumpe MVP 003-2 mit 0,1 m3/h Saugvermögen sorgen für das geringe Gewicht des Systems. Zur Vakuummessung sind ein Kaltkathoden-Hochvakuumtransmitter und ein Piezo/Pirani-Vorvakummesstransmitter installiert. In die Vakuumkammer kann der Analysator integriert werden.

Emissionsmessung von Vulkanen

Um zukünftige Vulkanausbrüche noch genauer voraussagen zu können, fehlen bei seismologischen Messungen oft in-situ Validierungsdaten. Doch nur mit diesen Daten und den daraus resultierenden, genauen Voraussagen ist es möglich, kurzfristige Maßnahmen zur Evakuierung von Anwohnern einzuleiten und den Flugverkehr bei starkem Ascheauswurf rechtzeitig umzuleiten. So können Menschen­leben gerettet und erhebliche wirtschaftliche Schäden vermieden werden.

In einem gemeinsamen Projekt von JPL (NASA), INGV Vesus Observatorium, Inficon Inc. USA/Deutschland, Creare Inc., USA mit der Universität von Costa Rica und dem NASA Ames Research Center, USA, wurde ein solches In-situ-Mess­equipment zur Überwachung und Gasanalyse von Vulkanrauchfahnen entwickelt.

Zudem wurden auch notwendige Optimierungen der Satelliten-Kalibrierung bzw. -Validierung entwickelt. Das Ergebnis: ein mobiles System mit Massenspektrometer für die Gasanalyse, Radiometer und laseroptischem Partikelzähler.

Mit diesem System können die folgenden Messungen durchgeführt werden:

  • Gase wie SO2, H2S, CO2, Helium, CH4 etc.,
  • Temperaturen, Druck und Feuchtigkeit,
  • GPS-Koordinaten und Höhe,
  • Emittierte Partikel sowie
  • Ascheproben (Aerosol-Partikel) zur Analyse des Einflusses auf den Flugverkehr.

Überwacht werden die Rauchfahnenzonen über dem Vulkan. Um die Messungen dort durchführen zu können, wird das System an eine unbemannte Drohne gekoppelt, die diesen Bereich des Vulkans dann überfliegt.

Neben dem Einsatz bei der Emissionsmessung von Vulkanen wurden diese Systeme außerdem bereits für eine ganze Reihe weiterer Analysen verwendet:

  • Detektion von giftigen BTEX-Stoffen (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol) im Umfeld von Öl- und Gasförderanlagen und deren Weiterverarbeitungsstätten,
  • Umweltanalysen auf dem sub-antarktischen Kontinent (Chile),
  • Analysen auf Vulkanen in Italien, Costa Rica und Hawaii sowie die
  • Detektion illegaler Drogen.

Tragbare Helium-Lecksucher für den Service

Ob bei der Montage und Installation einer Vakuumanlage oder für die Quantifizierung und Beseitigung von Lecks im Servicefall – ein mobiler, tragbarer Lecksucher ist bei einer Vielzahl von Anwendungen unerlässlich. Besonders genau und zuverlässig erfolgt die mobile Lecksuche ebenso wie die stationäre mit dem Prüfgas Helium.

Im Allgemeinen stehen zwei Betriebsmodi des Helium-Lecksuchers zur Verfügung:

  • Die Vakuummethode – hier wird entweder die Sektion oder die gesamte Anlage evakuiert und von außen mit dem Prüfgas Helium beaufschlagt.
  • Die Schnüffelmethode – hier wird der Prüfling mit dem Prüfgasüberdruck Δp > 100 hPa gefüllt. Das austretende Prüfgas Helium wird dann über eine Schnüffelsonde in den Lecksucher eingesaugt und nachgewiesen.

Beide Methoden, ihr Arbeitsprinzip und ihre Nachweisgrenzen sind Tabelle 2 (in der Bildergalerie) zu entnehmen. Als mobile oder tragbare Lecksucher gelten Geräte, deren Gesamtgewicht circa 25 Kilogramm nicht überschreitet. Sie sind tragbar, können im Fahrzeug transportiert und zu akzepta­blen Kosten als Gepäck im Flugzeug mitgeführt werden. Pfeiffer Vacuum bietet eine Reihe von mobilen Lecksuchsystemen für unterschiedlichste Anwendungen in seinem Produktportfolio.

* H. Barfuss: Pfeiffer Vacuum GmbH, 35614 Asslar

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