Die Dosis macht das Gift: Das gilt auch für Luftschadstoffe. Luft enthält neben den Hauptbestandteilen Sauerstoff und Stickstoff viele weitere Gase in z.T. sehr geringen Konzentrationen. Erhöhte Anteile dieser Spurengase beeinträchtigen unser Wohlbefinden und können unsere Gesundheit schädigen. Kohlenstoffdioxid (CO₂) beispielsweise führt bereits ab einem Anteil von 0,5 Volumenprozent zu Konzentrationsschwäche und Unwohlsein. Für das toxische Stickstoffoxid (NO₂), das u.a. bei Verbrennungsprozessen entsteht, setzt die Weltgesundheitsorganisation den Grenzwert bei nur 5 ppb, dies entspricht 5 Molekülen unter einer Milliarde Luftmoleküle. Ein flächendeckendes Monitoring kritischer Spurengase – z. B. in Innenräumen, Tunneln, Tiefgaragen oder verkehrsbelasteten Stadt- oder Industriegebieten – scheitert bislang an zu teurer, zu aufwändiger oder nicht ausreichend sensitiver Messtechnik. 

Klassisches Messprinzip – moderne Komponenten 

Aufbauend auf dem Prinzip der photoakustischen Spektroskopie (PAS) hat Dr. Christian Weber vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM miniaturisierte photoakustische Sensoren entwickelt, die die Gase CO₂ und NO₂ bereits in sehr geringen Konzentrationen detektieren – zu einem Bruchteil der Kosten bisher verfügbarer Systeme. „In meiner Promotion habe ich das seit 150 Jahren bekannte Messprinzip der Photoakustik gewissermaßen wiederbelebt“, sagt Weber. „Heute stehen Hochleistungs-LED oder Halbleiterlaser als Lichtquellen und günstige mikromechanische Mikrofon-Chips als Detektoren zur Verfügung. Damit kann man kleine, kostengünstige Sensoren bauen, die wenig Energie benötigen.“

Aus Licht mach‘ Ton: der photoakustische Effekt

Bei der photoakustischen Gasdetektion wird das Gas mit Licht einer passenden Wellenlänge durchstrahlt und absorbiert dabei einen Teil des Lichts. Die aufgenommene Lichtenergie ist proportional zur Anzahl der absorbierenden Moleküle im Gasgemisch und wird über mehrere Prozesse in Wärmeenergie umgewandelt. In der Folge dehnt sich das Gas aus, der Luftdruck steigt und eine Schallwelle entsteht. Diese Schallwelle wird mithilfe eines Mikrofons gemessen. Setzt man gepulstes Licht ein, entsteht ein periodisches Signal, was einem akustischen Ton gleichkommt. Je höher die Gaskonzentration, desto lauter ist das akustische Signal. So sind präzise Aussagen über die Gaskonzentration möglich.

CO₂-Detektor: deutlich höhere Empfindlichkeit dank indirekter Photoakustik

Im Rahmen seiner Promotion hat der Wissenschaftler zwei unterschiedliche Sensorarchitekturen für die Zielgase CO₂ und NO₂ aufgebaut. Für die CO₂-Detektion setzt er auf ein indirektes photoakustisches Verfahren. Eine LED sendet infrarotes Licht durch einen kurzen Messpfad in einen hermetisch verschlossenen photoakustischen Detektor, der mit Kohlenstoffdioxid gefüllt ist. Der Trick: Das CO₂ im Messvolumen zwischen Lichtquelle und Detektorzelle absorbiert bei steigender CO₂-Konzentration genau die Lichtwellen, die im Detektor eigentlich zur Anregung führen würden. Das Signal wird also schwächer. Der Detektor erfasst somit genau jene schmalen Absorptionslinien, auf die CO₂ reagiert. „Durch dieses Design sind wir vier- bis sechsmal empfindlicher als klassische filterphotometrische Lösungen und können den Lichtweg auf acht Millimeter verkürzen“, so Weber. Das Sensormodul ist mit Abmessungen von 8 mm × 7mm ×17 mm kleiner als die meisten optischen Gassensoren am Markt. Bei einem Messintervall von einer Minute und einer Durchschnittsleistung von nur 24 μW kann der Sensor per Batterie über mehrere Jahre hinweg drift- und kalibrationsfrei betrieben werden. 

Resonante Photoakustik: NO₂-Nachweisgrenze von 3 ppb

Der Sensor für den Stickstoffdioxid-Nachweis basiert auf direkter Photoakustik. Das Gas absorbiert im violetten bis blauen Lichtspektrum. Mit starken LED-Lichtquellen lässt sich ein messbares Signal erzeugen, das jedoch bei geringen Konzentrationen sehr schwach ist. Um einen hörbaren Ton zu erzeugen, nutzt Weber einen akustischen Resonator zur Signalverstärkung. Die Tonhöhe, auf der die Resonanz anschwingt, wird beeinflusst von Umgebungsparametern wie z. B. Druck und Temperatur. Um Messfehler zu vermeiden, muss der Takt der Anregung exakt mit der Resonanzfrequenz der Messzelle übereinstimmen. Für dieses Problem hat er eine elegante Lösung gefunden: Statt den Schall über einen Lautsprecher zu erzeugen, wird eine zweite LED eingesetzt, deren Licht direkt auf die Wand der resonanten Zelle fokussiert. Durch die Absorption der Strahlung an der Wand geht ein Teil der Wärme ebenfalls in das Gas über und eine Schallwelle entsteht, die die Zellresonanz entsprechend anregt. Diese Methode erweist sich nicht nur als komplett linear und frei von eigenen Resonanzen, sondern lässt sich auch einfach und günstig in die Sensorik integrieren. Das Verfahren ist bereits patentiert und lizenziert. In Testmessungen erreichte der Sensor eine Nachweisgrenze von 3 ppb – eine Sensitivität, die bisher nur mit komplexen und teureren Laser- oder Chemilumineszenz-Messsystemen erreicht werden konnte. 

Die Prinzipien der photoakustischen Spurengasdetektion lassen sich für die Detektion anderer Gase anpassen. So wurde auf Basis der Erkenntnisse bereits ein System zur Detektion von Methan-Lecks aufgebaut, das im produktiven Einsatz ist.