Warnt bald das Smartphone vor gefährlichem Kohlenmonoxid & Co.?

Miniaturisierung optischer Gassensoren Warnt bald das Smartphone vor gefährlichem Kohlenmonoxid & Co.?

22.09.2017 | Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

In Deutschland sterben jedes Jahr mehrere hundert Menschen durch die toxische Wirkung von Kohlenmonoxid. Ein Internationales Forscherteam hat nun ein neues Konzept entwickelt, um die Wegstrecken optischer Signale, die auf einem Silizium-Chip geführt werden, drastisch zu vergrößern. Nach Angaben der Forscher ist damit ein Meilenstein in Richtung miniaturisierter Gassensoren erreicht, die zukünftig kostengünstig beispielsweise in Mobiltelefone eingebaut werden könnten, um ihre Besitzer als Frühwarnsystem jederzeit vor gefährlichen Gasen zu warnen.

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Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH

Miniaturisierte Gassensoren könnten künftig kostengünstig beispielsweise in Mobiltelefone eingebaut werden, um ihre Besitzer jederzeit vor gefährlichen Gasen wie Kohlenmonoxid zu warnen.
(Bild: gemeinfrei)

Geesthacht – Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), der ITMO Universität Sankt Petersburg und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht entwickelten in Kooperation mit der Universität York ein neues Konzept, um die Wegstrecken optischer Signale, die auf einem Silizium-Chip geführt werden, drastisch zu vergrößern. Sogenannte 2D-integrierende Zellen ermöglichen es, Strecken von mehreren Zentimetern auf einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern zu realisieren. Damit wird nun in einem integrierten 2-dimensionalen optischen Chip das erreicht, was vorher nur in einem makroskopischen Volumen möglich war.

Meilenstein in Richtung miniaturisierter Gassensoren

„Dieses Konzept stellt einen Meilenstein in Richtung miniaturisierter Gassensoren dar, die zukünftig kostengünstig beispielsweise in Mobiltelefone eingebaut werden könnten, um ihre Besitzer jederzeit vor gefährlichen Gasen zu warnen“, sagt Professor Manfred Eich, Leiter des TUHH-Instituts für Optische und Elektronische Materialien und Wissenschaftler im Helmholtz-Zenrum Geesthacht. Denn: Jahr für Jahr sterben in Deutschland mehrere hundert Menschen durch die toxische Wirkung von Kohlenstoffmonoxid (CO), einem Gas, das bei Verbrennungsprozessen entsteht und sich etwa bei einem Heizungsleck in Wohnräumen ausbreiten kann. Fatal dabei ist, dass dieses Gas farb- und geruchsneutral ist, sodass es in vielen Fällen erst bemerkt wird, wenn es bereits gesundheitliche Auswirkungen hat.

Links: Schematische Darstellung einer 2D-integrierenden Zelle mit hexagonal angeordneten Reflektoren. Zwei Wellenleiter dienen dazu, ein optisches Signal in die Zelle einzufügen bzw. aus ihr zu extrahieren. In rot ist ein Beispielpfad eines optischen Signals dargestellt, das vielfach an den Spiegeln reflektiert wird und dessen Weglänge dadurch enorm verlängert wird. Mitte: Elektronenmikroskopische Aufnahme der photonischen Kristall-Spiegel mit (oben) und ohne (unten) Zugangswellenleiter. Der Maßstabsbalken kennzeichnet eine Strecke von 5 µm. Rechts: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines optimierten photonischen Kristall-Spiegels. Der Balken zeigt eine Länge von 2 µm. Die kleinsten Löcher haben einen Durchmesser von nur 120 nm. Dies entspricht etwa dem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Mittels solcher Reflektoren, die mehr als zu 99 Prozent reflektieren, konnten Wegstrecken von 25 cm auf einer Fläche mit 10 Quadratmillimeter realisiert werden.
(Bild: Eich/TUHH)

Frühwarnsystem auch für andere Gase

Darüber hinaus treten auch in der Erdatmosphäre Gase auf, die in geringen Konzentrationen zwar ungiftig für den Menschen sind, bei erhöhten Aufkommen das Wohlbefinden indes deutlich einschränken. In geschlossenen Räumen mit mehreren Menschen kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration innerhalb von Minuten auf ein Vielfaches der Atmosphäre-Konzentration ansteigen und eine deutliche Konzentrationsminderung, Kopfschmerzen und Schwindel bewirken. Um dem entgegenzuwirken, ist rechtzeitiges und regelmäßiges Lüften bereits ausreichend. Gassensoren können dem Risiko von erhöhten Gaskonzentrationen vorbeugen.

„Diese Sensoren sollten klein und kostengünstig sein, um uns im Alltag ständig begleiten und gegebenenfalls vor ansteigenden Gaskonzentrationen unmittelbar warnen zu können“, sagt Professor Eich. Tatsächlich sind kommerziell verfügbare optische Gassensoren derzeit aber noch groß und unhandlich, sodass sie in der Regel fest installiert und nicht transportfähig sind.

„Mit miniaturisierten optischer Gassensoren könnten künftig etwa Smartphones ausgestattet werden, die die Qualität der Atemluft für ihre Nutzer in Räumen und in Fahrzeugen in Echtzeit überwachen können.“

Originalpublikation: Lena Simone Fohrmann, Gerrit Sommer, Giampaolo Pitruzzello, Thomas F. Krauss, Alexander Yu. Petrov et al.: Integrating cell on chip—Novel waveguide platform employing ultra-long optical paths, APL Photonics 2, 096102 (2017); doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.5001486

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