Stickoxide in Abgasen Schadstoffmessung aus der Ferne

Das Thema Schadstoffmessung ist in Zeiten des VW-Abgasskandals aktueller denn je. Wissenschaftler an der TU Wien haben nun ein neues, auf Laserpulsen basierendes Verfahren entwickelt, mit dem sich Schadstoffe wie Stickoxide mit extrem hoher Genauigkeit messen lassen – hunderte Male pro Sekunde und sogar auf große Distanz.

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Wien/Österreich – Stickoxide gehören zu den wichtigsten atmosphärischen Schadstoffen. Sie verursachen sauren Regen und Sommersmog und haben einen negativen Einfluss auf die Umwelt sowie auf unsere Gesundheit. Bodennahe Stickoxide tragen zur Ozonbildung bei und gehören daher auch zur Klasse der klimaschädlichen Gase. Stickoxide fallen bei Verbrennungen an, etwa im Automotor oder in Kohlekraftwerken. An der TU Wien wurde nun eine neue Methode entwickelt, Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) mit Laserstrahlen zu detektieren. Dadurch können Stickoxid-Konzentrationen in der Luft auf große Entfernung in Echtzeit hochpräzise gemessen werden. Dem Forschungsteam um Prof. Bernhard Lendl gelingt es damit sogar, unterschiedliche Emissionsquellen (z.B. Motorentypen vorbeifahrender Autos) an der charakteristischen Schadstoff-Signatur zu unterscheiden.

Der Fingerabdruck von Stickoxiden

Jedes Molekül hat im elektromagnetischen Spektrum einen ganz speziellen energetischen Fingerabdruck. Nur Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen wird absorbiert und regt das Molekül zu Schwingungen oder Rotationen an. Welche Licht-Wellenlängen auf diese Weise absorbiert werden, ist von Molekül zu Molekül unterschiedlich.

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Ganz besondere Laser, die Licht im mittleren Infrarot-Bereich aussenden, verwendet das Team von Prof. Bernhard Lendl am Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. Es handelt sich um sogenannte Quanten-Kaskaden-Laser, die Lichtpulse mit genau den richtigen Wellenlängen und hoher Intensität aussenden können. Ein Laserpuls dauert weniger als eine Millionstelsekunde, doch bereits in dieser winzigen Zeitspanne erwärmt sich der Laser ein bisschen, wodurch sich auch die Wellenlänge des ausgesandten Lichts verschiebt. Wird der Laser richtig betrieben, können dadurch charakteristische Frequenzen des gesuchten Moleküls überstrichen werden. So kann man mit einem einzigen Laserpuls einaussagekräftiges Mini-Spektrum Des Moleküls aufnehmen.

Zwei verschiedene Laser werden im neu entwickelten Messgerät verwendet, einer maßgeschneidert für Stickstoffmonoxid, der andere für Stickstoffdioxid. Das Licht wird über eine längere, offene Strecke zu einem Spiegel geschickt, reflektiert, und von einem rasch ansprechenden, hochempfindlichen Detektor gemessen. Befinden sich Stickoxid-Moleküle in der Teststrecke, kann man aus der gemessenen Lichtintensität während eines Laserpulses ein Mini-Spektrum errechnen und so direkt auf die Konzentration der gesuchten Moleküle in der Luft schließen.

„Bei den meisten anderen Messmethoden müssen die Gase zuerst aufbereitet werden, eine unabhängige Detektion von NO und NO₂ ist daher kaum möglich.“, sagt Johannes Ofner (TU Wien). „Mit der von uns angewendeten Laserspektroskopie können die Moleküle sehr rasch und mit hoher Präzision einzeln gemessen werden.“ Hunderttausende Lichtpulse pro Sekunde geben die Laser ab. Selbst wenn man tausende Messungen mittelt, um die Genauigkeit zu erhöhen, kann man so hunderte Messwerte in der Sekunde erhalten. Die zeitliche Änderung der Stickstoffkonzentration lässt sich somit genau abbilden, das gelingt sogar auf große Distanzen – Laser und Detektor können bei dieser Methode auch hunderte Meter weit voneinander entfernt sein.

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