E-Nasen

Andreas Schütze entwickelt das Sensormaterial nicht selbst. Seine Aufgabe ist es, aus den winzigen Keramikelementen funktionierende Sensorsysteme aufzubauen. Und die können je nach Einsatzort ganz unterschiedlich aussehen. Das fängt bei der Frage an, wie man Luft für die Analyse ins Sensorgehäuse leitet. Wird sie über einen kleinen Schlauch aus einem Brutkasten abgesaugt? Oder soll der Sensor auf einer riesigen Kohlenhalde in einem Kraftwerk Schwelbrände erschnüffeln?

Frische-Check für Essensreste

Zu Schützes Aufgaben gehört es auch, die Sensoren für die verschiedenen Substanzen zu kalibrieren, die nachgewiesen werden sollen. Gemeinsam mit einem Hausgerätehersteller entwickelt er zurzeit eine Frischhaltedose für den Kühlschrank, die misst, ob Essensreste noch genießbar sind oder schon vergammeln. „Das kennt wohl jeder“, meint der Forscher: „Vorgestern war der Rest an Lasagne noch gut. Wenn man ihn dann aber endlich aufwärmen will, ist er schlecht.“ Tausende Tonnen an Lebensmitteln würden so täglich verschwendet. Sein Sensor soll künftig rechtzeitig warnen: „Achtung! Essen nur noch heute verzehrbar“; zum Beispiel mit roten und grünen Leuchtdioden.

Der Schnüffler im Dosendeckel

Die Idee besteht darin, das Sensorelement in ein Loch im Frischhaltedosendeckel einzuklinken. Für die Spülmaschine lässt es sich herausnehmen. „Derzeit sind wir noch dabei, den Sensor auf die entscheidenden Geruchsstoffe abzustimmen, die entstehen, kurz bevor das Essen verdirbt“, berichtet Schütze.

Eine Herausforderung besteht darin, dass Luft in der Regel eine Fülle an Substanzen enthält, die sich auch auf dem MOS-Sensor ablagern. Es kommt darauf an, die Spreu vom Weizen zu trennen – beziehungsweise bloß die relevanten Moleküle zu detektieren. Grundsätzlich sind Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren dafür perfekt geeignet, weil sie universell für zahlreiche Stoffe einsetzbar sind – im Grund für jedes Molekül, das chemisch mit Sauerstoff reagieren kann. Das Funktionsprinzip: Der Sensor misst, wie intensiv eine Substanz mit dem Luftsauerstoff an der Sensoroberfläche reagiert. Diese Reaktion bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstandes, die der Sensor wahrnimmt.

Um einen Sensor für eine bestimmte Funktion zu kalibrieren, muss Andreas Schütze also zunächst die charakteristischen Substanzen finden und anschließend im Labor überprüfen, wie sie mit der Sensoroberfläche reagieren. Doch weil in der Luft viele Substanzen zugleich umherschwirren und auf dem Sensor landen, bleibt es schwierig. Schütze nimmt daher Verfahren des maschinellen Lernens zu Hilfe, die in dem Durcheinander aus Widerstandswerten charakteristische Muster erkennen.

Schwelbränden auf der Duftspur

Besonders knifflig wird es, wenn nicht nur eine einzige Substanz detektiert werden muss, sondern ein Molekül-Cocktail, der einen charakteristischen Duft ausmacht – etwa bei einem Feuer. So haben vor einiger Zeit Wissenschaftler der Universität Gießen einen Sensor für Schwelbrände in Kohlekraftwerken entwickelt. Da es in Kohlekraftwerken staubig ist, versagen dort herkömmliche Feuermelder, die die Trübung der Luft messen. Der Geruchssinn des Menschen hingegen bemerkt sofort, wenn es irgendwo zu schwelen beginnt. Denn dann werden Terpene – spezielle Kohlenstoff-Moleküle – freigesetzt, die eine menschliche Nase leicht riechen kann. Also sollte doch auch ein Sensor in der Lage sein, Schwelbrände zu riechen, dachten sich die Gießener Forscher.

Allerdings: Terpene zu erkennen, wäre für einen Sensor recht kompliziert, weil diese Moleküle komplex gebaut und ungeheuer vielfältig sind. Es sollte einfacher gehen. Klar war, dass bei einem Brand das Verbrennungsprodukt Kohlenmonoxid frei wird. Doch das allein reicht noch nicht, weil es zum Beispiel auch durch Abgase in die Umwelt gelangt. Auf die Lösung brachte die Forscher die Tatsache, dass bei einem Brand auch Wasserstoff entsteht, der aus der Feuchtigkeit in der Kohle stammt. Letztlich gelang es dem Team, den Sensor so einzustellen, dass er sowohl Kohlenmonoxid als auch Wasserstoff erkennt – und aus deren Verhältnis zueinander auf einen Schwelbrand schließen kann.

Ein unnachahmliches Organ

Sensoren, die riechen können; da liegt das Bild von der „künstlichen Nase“ nah. Doch der Vergleich hinkt, sagt Andreas Schütze. Die Nase habe sich in der Evolution zu einem perfekten Riechorgan entwickelt. „Wir brauchen gar nicht erst versuchen, es nachzubauen“, meint der saarländische Forscher. „Sinnvoller ist es, Sensoren für die Dinge zu entwickeln, die die Nase nicht riecht, oder für Umgebungen, in denen sich Menschen normalerweise nicht aufhalten.“

Das sieht der Halbleiterphysiker Richard Fix von der Firma Bosch Sensortec in Reutlingen genauso, der mit Andreas Schütze zusammenarbeitet. „Sensoren sollen nicht die Nase ersetzen, sondern sie unterstützen. Daher haben wir das Ziel, Sensoren für unsere Kunden in möglichst vielen Geräten zu nutzen.“ Dafür setzt auch Bosch Sensortec auf MOS-Sensoren. Seit mehreren Jahren werden beispielsweise in Dunstabzugshauben Sensoren eingebaut, die Bratenduft erschnüffeln können. Sie fahren automatisch das Gebläse hoch, wenn es aus der Pfanne stärker qualmt. In China werden seit Kurzem Kühlschränke mit Sensoren ausgestattet, die üble Gerüche wahrnehmen. Im Inneren dieser Kühlgeräte schaltet sich dann ein kleiner Generator an, der Ozon produziert, das die stinkenden Substanzen zerstört.

Was beim Autofahren müde macht

Die Ingenieure bei Bosch Sensortec entwickeln darüber hinaus Sensoren, mit denen sich die Luftqualität überwachen lässt – zum Beispiel im Auto. Wird ein Auto während der Fahrt schlecht gelüftet, reichern sich darin Atemgase an, die müde machen. „Viele Leute denken, dass die steigende Kohlendioxid-Konzentration im Wagen Müdigkeit verursacht“, sagt Richard Fix. Doch das stimmt nicht. „Auf der Raumstation ISS beispielsweise ist der Kohlendioxid-Gehalt etwa sechsmal so hoch wie auf der Erde – und trotzdem wird die Besatzung nicht müde.“ Müde machen stattdessen andere Substanzen, die in der menschlichen Atemluft enthalten sind.

Im Fachjargon werden sie Volatile organic compounds genannt, kurz: VOC. Das sind flüchtige organische Verbindungen, allen voran Aceton, Isopren und Ethanol. „Ja, tatsächlich auch Ethanol – also Alkohol“, betont Fix. „Es stammt aus Vergärungsprozessen in unserem Körper. Auch wenn wir keinen Alkohol getrunken haben, atmen wir ihn aus.“ Die Sensoren, die künftig in Innenräumen zum Einsatz kommen sollen, erkennen diese Substanzen und steuern die Lüftung entsprechend.

Für Richard Fix machen VOC wie Aceton, Isopren und Ethanol deutlich, wo die Leistungsfähigkeit der menschlichen Nase aufhört und Sensoren zu einem hilfreichen Werkzeug werden. Denn der Mensch nimmt sie in geringen Konzentrationen nicht wahr. Der Sensor hingegen erschnüffelt sie sofort.

Auch Richard Fix ist von der Universalität der MOS-Sensoren überzeugt, weil sich damit alle gasförmigen Substanzen nachweisen lassen, die chemisch reaktiv sind. Lediglich für Stoffe, die bereits vollständig mit Sauerstoff reagiert haben, sind diese Sensoren blind. Das gilt unter anderem für Kohlendioxid (CO2). Für diese Verbindung braucht man andere Verfahren. So wird die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre mit Infrarotsensoren gemessen.

Schimmeliger Joghurt im Visier

Während man bei Bosch Sensortec auf Massenmärkte setzt, hat die Saarbrücker Firma 3S Technologies eher Spezialanwendungen im Blick. Die Idee, das Unternehmen zu gründen, entstand vor einigen Jahren in der Arbeitsgruppe von Andreas Schütze an der Universität des Saarlands. „Wir entwickeln Sensorsysteme für Spezialfälle, mit denen Kunden zu uns kommen“, sagt Tobias Baur, Applikationsingenieur bei 3S Technologies. Das können Sensoren für Lebensmitteltanks oder spezielle Gase sein, die im Abluftstrom einer Fabrik detektiert werden sollen. Derzeit entwickelt das Unternehmen Sensorsysteme, die Schimmel in der Produktion von Fruchtjoghurt erkennen.

„Fruchtmasse wird in großen Tanks angeliefert“, schildert Baur. „Sollte eine Lieferung mit Schimmel belastet sein, ohne dass das bemerkt wird, kann das eine ganze Joghurtcharge zerstören.“ Für den Hersteller werde das teuer. Noch schlimmer sei es, wenn das Produkt aus den Supermärkten zurückgerufen werden müsse. Im Moment arbeiten Baur und seine Kollegen daran, den Sensor auf Stoffwechselprodukte zu trimmen, die von den Schimmelpilzen erzeugt werden.

Die Grenzen der Schnüffelei

Wenn es um Gerüche in der Industrie geht, ist bislang häufig noch immer die Nase der Sensor der Wahl. Getreide zum Beispiel wird von Geruchsinspektoren begutachtet, die darauf trainiert sind, Getreidepilze zu erschnüffeln. Die Pilze und ihre Sporen selbst geben keinen charakteristischen Duft ab. Auch hier sind es Stoffwechselprodukte, die den Geruch ausmachen. Doch der Einsatz der Nase hat seine Tücken. Pilze und Sporen können gesundheitsschädlich sein. Daher ist es nicht ratsam, mit der Nase auf die Suche zu gehen. „Hinzu kommt, dass ein Mensch pro Tag nur einige wenige Stunden lang konzentriert riechen kann“, sagt Tobias Baur. „Insofern hat die Industrie großes Interesse an Sensoren, die Gerüche rund um die Uhr messen können.“

Auch in der Autoindustrie gehen heute noch Geruchsinspektoren ans Werk. Wie ein Weinkenner am gefüllten Glas schnuppern sie an Autositzen, Innenverkleidungen und Polstern. Damit wollen die Hersteller sicherstellen, dass keine unangenehmen Ausdünstungen aus den Kunststoffen die Freude der Autokäufer trüben. Wichtig ist es vielen Käufern in Deutschland auch, dass ihr Auto nach Neuwagen duftet. Chinesische Kunden hingegen bevorzugen Autos, die gar nicht riechen. „Interessanterweise ist die Bewertung der Geruchsinspektoren aber nicht so objektiv, wie man denkt“, sagt Tobias Baur. „Es gibt Vergleichsstudien, die belegen, dass es bei der Geruchswahrnehmung durch verschiedene Inspektoren deutliche Unterschiede gibt.“ Deshalb entwickelt er derzeit ein objektiveres Messverfahren für Kunststoffe im Automobil.

Der Bedarf an einem solchen Sensorsystem dürfte in den kommenden Jahren steigen. Denn mit dem Aufbau einer Kreislaufwirtschaft soll Kunststoffen im Automobil, in Plastikverpackungen und vielen anderen Produkten künftig mehr Recycling-Kunststoff beigemischt werden. Wenn dafür auch verschmutzte Kunststoffe wie etwa aus dem Gelben Sack zum Einsatz kommen, wird es schwierig. Solche Abfälle sind durch Essenreste und andere Rückstände verschmutzt. Daher stinken sie erbärmlich.

Das Problem: Viele der unangenehm riechenden Substanzen überstehen das Recycling und duften im neuen Produkt weiter – etwa nach Fisch oder Limonen. Und Buttersäure, die durch Vergärung entsteht, riecht schon in geringen Dosen abscheulich. Auch die Ingredienzen aus Parfüms duften lange weiter und können störend sein – beispielsweise, wenn sie in einer Lebensmittelverpackung landen. „Von Bedeutung sind vor allem leicht flüchtige Substanzen, die aus dem recycelten Material ausdünsten“, sagt Tilmann Sauerwald, Experte für Sensorische Analytik am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising. Kunststoffe werden daher heutzutage gewaschen oder für einige Zeit gelagert, damit die störenden Substanzen entweichen. Aber bei besonders hartnäckigen Düften reicht selbst dieses Vorgehen nicht aus.

Tilman Sauerwald entwickelt daher für die Industrie Anlagen, die während der Kunststoffproduktion den Geruch überwachen. „Smart Odour Assessment“ heißt dieses Verfahren. Da aus Recycling-Kunststoffmischungen sehr viele verschiedene Stoffe ausdünsten, kombiniert er die MOS-Technik mit anderen Verfahren – der Gaschromatographie und mit Massenspektrometern. Gaschromatographen trennen Stoffgemische nach den verschiedenen Molekülen auf. Das macht es leichter, sie anschließend mit MOS zu bestimmen. Massenspektrometer wiederum sind hoch präzise Apparate, die einzelne Molekülfragmente erkennen und damit sehr genau die Struktur chemischer Substanzen analysieren; sehr viel genauer als die MOS. Allerdings sind sie weitaus teurer.

Elektronik ersetzt den Geruchsinspektor

Gaschromatographen und die teuren Massenspektrometer könnten künftig das Smart Odour Assessment in der Autoindustrie und die Arbeit der Geruchsinspektoren übernehmen. Die preiswertere Variante aus Gaschromatograph und MOS wäre fürs Kunststoffrecycling lohnend. Kunststoffe stellt man her, indem man verschiedene Zutaten verrührt, die Mixtur aufschmilzt und durch feine Düsen drückt – ein Verfahren namens Extrusion. Sind die Stränge erkaltet, werden sie zu Granulat zerhackt. In Säcke verpackt, geht das Granulat dann zu den Kunststoffverarbeitern. Ein elektronischer Smart-Odour-Inspektor könnte künftig während der Extrusion an den heißen Strängen schnuppern. Besonders stark riechende Abschnitte ließen sich dann sofort in einen separaten Behälter umlenken, ehe sie die ganze Charge verderben. „Schon heute riechen Kunststoffe mitunter“, sagt Tilmann Sauerwald. „Mit Smart Odour Assessment sorgen wir dafür, dass das mit Recycling und Kreislaufwirtschaft nicht schlimmer wird.“ ■

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…