Der Kohlenwasserstoff Methan gehört zu der Gruppe der kurzlebigen klimaschädlichen Gase. Diese tragen etwa 30 Prozent zur globalen Erwärmung bei. Prof. Marcus Wolff vom Department Maschinenbau und Produktion hat zusammen mit Dr. Alain Loh einen spektroskopischen Sensor* entwickelt, mit dem sich genau messen lässt, wie viel vom Menschen verursachtes Methan, Ethan oder Propan sich in der Atmosphäre befindet. Das mobil einsetzbare Messgerät kann einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, den komplexen Kohlenstoffzyklus besser zu verstehen.
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Forschungspreis
Fingerabdruck der Methan-Emissionsquellen
Auch bei der Erdgasförderung wird Methan freigesetzt.
Unser Messgerät passt in einen Schuhkarton.
Prof. Dr. Marcus Wolff
Modernste Lasertechnologie für einen Fingerabdruck der Emissionsquellen
Anthropogenes Methan entsteht insbesondere bei der Förderung und Verbrennung fossiler Brennstoffe oder der Massentierhaltung, aber auch wenn Permafrostböden auftauen. Wolff und sein Team ermitteln die sogenannte isotopische Signatur* von Ethan oder Propan in der Atmosphäre und erhalten so im Rückschluss auch Informationen über den Methangehalt. Wer es ganz genau wissen will: Die beiden Physiker haben weltweit erstmals die Absorptionsspektren der wichtigsten 13C-Isotopologen von Ethan und Propan im mittleren Infraroten gemessen. „Wir lesen gewissermaßen den Fingerabdruck der Emissionsquellen ab“, sagt Marcus Wolff. „Je nach Signatur können wir feststellen, woher die klimaschädlichen Gase stammen und ob sie durch den Menschen verursacht wurden.“
„Das Neue und Einzigartige unseres Messgeräts besteht darin, dass es so klein ist, dass es in einen Schuhkarton passt und deshalb auch mobil eingesetzt werden kann, zum Beispiel auf einer Drohne“, beschreibt Prof. Marcus Wolff sein unspektakulär aussehendes Gerät. „Normalerweise wird die Isotopenzusammensetzung mit einem Massenspektrometer gemessen. Das funktioniert vereinfacht gesagt auf der Grundlage von Magnetfeldern. Diese Geräte sind sehr groß, unhandlich und eignen sich nicht für Messungen direkt in der Umwelt. Unser Messkonzept funktioniert dagegen mit einem Laser, der das Spektrum der Isotope im Infrarotbereich auffächert. Das neue Verfahren erkennt schon wenige Moleküle in einer Milliarde Fremdmoleküle.“
Forschung geht weiter: Vom Labormuster zum Prototyp
Fast drei Jahre lang haben Marcus Wolff und Alain Loh an dem Labormuster dieses spektroskopischen Sensors gearbeitet. Die genaue Bezeichnung lautet „Spektroskopischer Sensor zur Bestimmung der isotopologischen Zusammensetzung atmosphärischer Kohlenwasserstoffe für die Identifizierung ihrer biogenen und anthropogenen Quellen“. Inzwischen ist die Fachwelt auf das Projekt aufmerksam geworden, wovon neben der Nominierung für den Kaiser-Friedrich-Forschungspreis auch Berichte in Fachmagazinen zeugen.
Zudem fördert ab Mai auch das Bundesamt für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) das Projekt. „Für die Weiterentwicklung des Labormusters zu einem Prototyp, der dann später auch produziert werden kann, hilft uns die Förderung vom BMU über 300.000 Euro enorm weiter. Damit können wir drei Jahre lang eine Doktorandenstelle und neue Lasergeräte finanzieren“, berichtet Marcus Wolff. „Bei der Auswertung der Daten arbeiten wir mit Künstlicher Intelligenz, auch das ist ja ein wichtiges Zukunftsfeld“, so Prof. Marcus Wolff.
Zum Kaiser-Friedrich-Forschungspreis
Der Kaiser-Friedrich-Forschungspreis ehrt herausragende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten aus dem Bereich Photonik und Optischen Technologien. Ausgezeichnet werden richtungsweisende Forschungsergebnisse, die ein hohes Innovationspotential für technische und naturwissenschaftliche Entwicklungen und eine deutliche Perspektive für die Umsetzung in neue Produkte oder Verfahren erkennen lassen. Er wird alle zwei Jahre unter einem besonderen Schwerpunktthema an deutsche Wissenschaftler*innen aus Forschung und Industrie vergeben. In diesem Jahr werden Innovationen prämiert, die Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit im Kern adressieren und einen Beitrag für den Umwelt- und Klimaschutz leisten.
Die Preisverleihung erfolgt am 12. Mai 2021 im Rahmen des Innovations-Forums Photonik in der Kaiserpfalz Goslar. Wir drücken die Daumen.
Text: Maren Borgerding
*Spektroskopischer Sensor: Mit Spektroskopie werden physikalische Methoden bezeichnet, die eine Strahlung nach einer bestimmten Eigenschaft wie Wellenlänge, Energie, Masse etc. zerlegen. Die dabei auftretende Intensitätsverteilung wird Spektrum genannt. Mit dem Sensor können diese Eigenschaften qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfasst werden.
*Isotopische Signatur: Als Isotope bezeichnet man Atomarten, deren Atomkerne gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen enthalten. Die Anzahl der Protonen legt den Elementenamen und die sogenannte Ordnungszahl im Periodensystem fest. Addiert man die Anzahl der Protonen mit den Neutronen ergibt sich die Massezahl, die den Elementenamen vorangestellt wird: So gibt es etwa für Kohlenstoff zwei stabile Isotope, das leichtere 12C und das schwerere 13C. Zusätzlich gibt es das bekannte radioaktive Isotop 14C. Wenn man die Isotopenzusammensetzung einer bestimmten Probe ermittelt, erhält man die sogenannte isotopische Signatur. Mit dieser lassen sich Rückschlüsse auf das Alter, aber auch auf die Quelle der Probe ziehen.
Kontakt
Prof. Dr. Marcus Wolff
Department Maschinenbau und Produktion
Berliner Tor 21
20099 Hamburg
T +49 40 428 75-8624
marcus.wolff (at) haw-hamburg (dot) de
Dr. Alain Loh
Department Maschinenbau und Produktion
Berliner Tor 21
20099 Hamburg
T +49 40 428 75-8745
alain.loh (at) haw-hamburg (dot) de
