Ein neues Laser-Meßgerät spürt kleinste Mengen von Schadstoffen in Abgasen sehr schnell auf – und erlaubt es deshalb, Müllverbrennungsanlagen umweltfreundlicher zu betreiben.
In einem Gas ein einzelnes Atom unter einer Billion anderer herauszufinden, klingt schwieriger als die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Für Reinhold Thanner ist das kein Problem: Der Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart hat mit seinen Kollegen ein Gerät entwickelt, das die Suche einfach macht.
Jet-REMPI heißt der hochgenaue Detektor, abgekürzt von “resonance enhanced multiphoton ionization”. Hinter dem Wortungetüm versteckt sich ein pfiffiges Prinzip: Genau wie bei einem einzelnen Atom dürfen sich die Elektronen bei einem Gasmolekül nur in bestimmten Abständen zu den Atomkernen bewegen. Wollen sie auf eine Bahn wechseln, die weiter außen liegt, müssen sie einen definierten Energiebetrag aufnehmen. Die Stuttgarter Forscher verwenden einen Laser, um Elektronen nach außen zu stoßen.
Doch die Bewegung in den neuen Bahnen ist nicht stabil: Schon nach kurzer Zeit springen die Elektronen wieder zurück. Erhalten sie jedoch vorher einen zweiten Schubser durch das Laserlicht, dann werden sie so weit vom Molekülrumpf entfernt, daß sie ganz entkommen können: Die Gasmoleküle sind ionisiert. Diese Ionen werden in einem nachgeschalteten Massenspektrometer schließlich nach ihrem Gewicht getrennt.
Der Trick funktioniert, wenn der erste Stoß durch das Laserlicht genau die richtige Stärke hat. Das ist quasi das Sieb, mit dem die Physiker den Heuhaufen durchsuchen. Denn jede Molekülsorte hat charakteristische Zwischenstufen, auf denen das Elektron nach dem ersten Stoß landen kann. Suchen die Wissenschaftler einen bestimmten Stoff, zum Beispiel das Umweltgift Dioxin, dann stellen sie die Farbe des Lasers so ein, daß sein Licht fast nur die Dioxinmoleküle ionisiert. “Jedes Molekül hat praktisch eine eigene Telefonnummer, die wir nur anwählen müssen”, beschreibt Reinhold Thanner das Prinzip.
Damit sich die Telefonnummern nicht zu sehr ähneln, wird das Gas vorher stark gekühlt, was die Zahl der Zwischenstufen reduziert. Mit diesem Kniff gelang es den Stuttgarter Forschern zum Beispiel in einem Gasgemisch den Stoff Benzol in einer Verdünnung von eins zu einer Billion nachzuweisen.
Im vergangenen Sommer zapfte Thanner mit seinen Mitarbeitern den Schornstein einer Müllverbrennungsanlage der Stuttgarter Neckarwerke an. Dabei bewährte sich das Jet-REMPI auch im mobilen Einsatz. “Mit einem solchen Gerät könnten wir die Rauchgasreinigung optimieren”, meint Dr. Roland Stützle, Leiter der Abteilung Grundsatzplanung bei den Neckarwerken.
Prozeßoptimierung ist das Stichwort für alle künftigen Anwendungen. “Wir sind nicht nur extrem präzise, sondern auch unerreicht schnell”, schwärmt Reinhold Thanner. “Wir messen online. Und die Meßergebnisse können gleich wieder zurück in den Regelkreis gegeben werden.” Das verschafft dem Jet-REMPI einen Vorteil gegenüber anderen, etablierten Analyseverfahren: Die Schadstoffe müssen nicht stunden- oder sogar tagelang in Analysefiltern angereichert werden, um sie nachzuweisen.
Durch diese Kombination von Empfindlichkeit und Schnelligkeit ist das neue Verfahren attraktiv für eine ganze Palette von Anwendungen. Zum Nachweis von Luftverschmutzung ist es ebenso einsetzbar wie in der Medizintechnik.
Bevor allerdings das erste Gerät verkauft ist, wird noch einiges Wasser den Neckar hinunterfließen. Jetzt geht es erst einmal darum, die Kosten zu drücken und den Prototypen weiterzuentwickeln. Einen Industriepartner haben die Stuttgarter Wissenschaftler schon gefunden: Ein mittelständisches Unternehmen für Meßtechnik will das Jet-REMPI zur Marktreife führen.
Daniel Münter
