Isotopen-selektiver Sensor für kurzkettige Kohlenwasserstoffe
Die Messung von Kohlenwasserstoffkonzentrationen hat eine enorme Bedeutung für viele Applikationen von der medizinischen Diagnostik und Umweltforschung bis hin zur Erdgasexploration. Für bestimmte Anwendungen muss dabei zusätzlich die isotopische Zusammensetzung des Kohlenstoffs bekannt sein.
Die Messung des Methan-Isotopenverhältnisses (13CH4:12CH4) ist beispielsweise für das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs der Erde sehr wichtig. Während der Beitrag anthropogener fossiler Energieträger ca. 8 Gigatonnen atmosphärischen Kohlenstoff pro Jahr umfasst (GtC/Jahr), beinhaltet der arktische Permafrostboden mindestens 600 GtC und die Ozeane schätzungsweise 11.000 GtC. Die Freisetzung auch nur eines geringen Bruchteils des Kohlenstoffs aus diesen Quellen durch Erwärmung der polaren Troposphäre kann zu gravierenden klimatischen Veränderungen führen. Belege für ein zuvor unterschätztes Ausströmen von Methan aus den oben genannten Quellen liegen inzwischen vor. Die isotopische Signatur von Methan erlaubt die Rückverfolgung der Emission zu ihren ökologischen oder anthropogenen Quellen. Das Mischungsverhältnis mit Ethan und anderen nicht-Methan-Kohlenwasserstoffen (NMHC) ist ein hilfreicher Indikator für die Beurteilung atmosphärischer Oxidations- und Transportprozesse auf regionaler Ebene. Die Messung von NMHC-Isotopologen liefert zusätzliche Informationen zu deren Quellen, Senken und zur Verteilung in der Atmosphäre und ermöglicht es, das photochemische Alter der einzelnen Kohlenwasserstoffe abzuschätzen. Für die Verifizierung und Verbesserung atmosphärischer Modelle sind diese Informationen essentiell.
Stand der Technik für die Messung von Kohlenstoffisotopen ist die Isotopenverhältnis- Massenspektrometrie (IRMS). Die Messmethode ist einerseits sehr präzise, aber zugleich arbeitsaufwendig, teuer und wird typischerweise in einem Labor durchgeführt, wodurch Feldmessungen und Echtzeituntersuchungen unmöglich werden. IRMS ist außerdem indirekt, da der Kohlenwasserstoff zuerst in einem Verbrennungsprozess in Kohlenstoffdioxid (CO2) umgewandelt werden muss und dieser dann für das 13C-Verhältnis analysiert wird.
Eine Weiterentwicklung der Messtechnik zur Bestimmung von Isotopenverhältnissen ist daher sehr wünschenswert. Das Ziel dieses Projektes besteht in der Entwicklung eines optischen Sensors, welcher die direkte isotopen-selektive Messung von kurzkettigen Kohlenwasserstoffen erlaubt. Als Strahlungsquellen sollen neuartige Halbleiterlaser (ICL - Interbandkaskadenlaser) eingesetzt werden, welche bei annähernder Raumtemperatur betrieben werden können und kontinuierliche Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3,0 und 3,5 µm emittieren. In dieser spektralen Region treten die stärksten Absorptionen von Kohlenwasserstoffen auf. Der Laser ist kompakt und einfach in der Handhabung und die optische Rückkopplung auf Basis periodischer Strukturierung ermöglicht ein kontinuierliches und modensprungfreies Durchstimmen bei einer spektralen Linienbreite kleiner als 10 MHz. Die isotopen-selektiven Untersuchungen sollen an Methan, Ethan und Propan durchgeführt werden (C1-C3). Das Projekt wird in Kooperation mit dem Laserhersteller nanoplus GmbH (http://nanoplus.com/) und der Geo-data Gesellschaft für Logging Service mbH durchgeführt (http://www.geo-data.de).
