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Sensors
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Auf einer schwarzen Fläche mit leuchtend grünen Linien eines Laserstrahls liegt ein Metallrohr. Das Metallrohr besitzt in der Mitte Öffnungen und an einem Ende leuchtet weißes Licht aus einem kleine Loch. © Olga Ivanova​/​TU Dortmund
Forschung

Isotopenanalytik zur Messung von Klimaprozessen und Kohlenstoffkreisläufen

Im Rahmen ihrer Arbeiten zur hochpräzisen photonischen Gasanalytik adressiert die Professur für Sensorik zentrale Fragestellungen der Umwelt- und Klimaforschung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt im Projekt MUIR auf der isotopenaufgelösten Detektion von Radiokohlenstoff in Treibhausgasen, um deren biogenen oder fossilen Ursprung sowie das Alter fossiler Anteile eindeutig bestimmen zu können. Aufgrund des extrem geringen natürlichen Anteils von Radiokohlenstoff in der Atmosphäre sind hierfür Messverfahren mit außergewöhnlich hoher Empfindlichkeit und Isotopenselektivität erforderlich.

Es werden vier Graphen dargestellt. Zwei sind jeweols übereinander und teilen sich eine X-Achse. Die rechte X-Achse ist beschriftet mit "Set number density / moleculesx10²³/m³". Sie ist skaliert von 0 bis 3.5. Der untere rechte Graph besitzt eine Y-Achse beschriftet mit "Measured number density moleculesx10²³/m³". Sie ist skaliert von 0 bis 4. Der Graph ist überschrieben mit "Strong etalon noise". Dargestelt sind in dem Graph Messpunkte beschriftet mit "FC method" und "MP Method". Sie besitzen Fehlerbalken beschriftet mit "Error bar: 1σ" Durch die Punkte sind zwei geraden gelegt. Diese sind jeweils beschriftet mit "Linear fit". Entlang einer der Linien verläuft eine weitere Linien beschriftet mit "Slope = 1". Ein Datenpunkt ist vergrößert in einem Graphen dargestellt. In dem Graphen sind zahlreiche Datenpunkte zu sehen. Die X-Achse der Vergrößerung ist beschriftet mit "Time/s" und skaliert von 3615 bis 4745. Die Y-Achse ist beschrifet mit "Measured number density moleculesx10²³/m³". Der rechte obere Graph ist überschrieben mit "Weack etalon noise"". Der Graph ist ähnlich zu dem Graphen darunter. Der Graph mit den vergrößerten Datenpunkten besitzt eine X-Achse beschriftet mit "Time/s" und einer Skalierung von 3885 bis 4725. Die Y-Achse ist mit "Measured number density moleculesx10²³/m³" beschriftet und skaliert von 0.44 bis 0.6. Der rechte untere Graph besitzt eine X-Achse beschriftet mit "Averaging time/s" logarithmisch skaliert von 1 bis 300. Die Y-Achse ist beschriftet mit "Allan deviation / moleculesx10²³/m³" und logarithmisch skaliert von 0.006 bis 0.1. Dargestelt sind in dem Graphen zwei unstet verlaufende Kurven ohne Sprünge. Die Kurven sehen im Verlauf ähnlich aus sind jedoch in X-Richtung ca. 0.05 Einheiten von einander entfernt. Die obere Kurve ist beschriftet mit "MP method". Die untere Kurve ist beschriftet mit "FC method". Bei jeder Kurve ist die Y-Marke 20 s markiert und mit "LOD" beschriftet. Der obere rechte Graph sieht sehr ähnlich aus. Die Y-Achse ist jedoch von 0.003 bis 0.018 linear skaliert. Die Kurvenverläufe unterscheiden sich ein wenig. Vor allem ist der Abstand zwischen den Kurven unterschiedlich. Dieser beträgt ca. 0.0027 Einheiten. © Kaiqi Wu et al.

Bislang kann diese anspruchsvolle Messaufgabe im Wesentlichen nur durch Beschleuniger-Massenspektrometrie gelöst werden. Diese Technologie ist jedoch an große, spezialisierte Laborinfrastrukturen gebunden, erfordert aufwendige Probenaufbereitung und ist weder mobil noch für kontinuierliche Feldmessungen geeignet. Daraus ergibt sich ein erheblicher Bedarf an kompakten, robusten und direkt vor Ort einsetzbaren Messsystemen.

Vor diesem Hintergrund entwickelt die Professur im Projekt MUIR ein photonisches Laserspektrometer zum isotopenselektiven Nachweis von radiokohlenstoffhaltigem Methan mit bislang unerreichter Nachweisempfindlichkeit. Technologische Grundlage ist ein aktiver Laserresonator nach dem Prinzip der Intracavity-Absorptionsspektroskopie. Durch die Nutzung aktiver Resonatoren mit sehr hoher optischer Güte wird eine extrem lange effektive Wechselwirkung zwischen Licht und Gasmolekülen realisiert. Dies ermöglicht eine Empfindlichkeit, die konventionelle, passive resonatorverstärkte Verfahren deutlich übertrifft.

Der wissenschaftlich-technologische Beitrag der Professur liegt in der Weiterentwicklung photonischer Resonatorkonzepte, der hochstabilen spektralen Kontrolle der Laserquellen sowie der Integration in ein perspektivisch miniaturisierbares und feldtaugliches Messsystem. Ziel ist es, die bislang ausschließlich laborgebundene Radiokarbonanalytik in ein kompaktes Instrument zu überführen, das kontinuierliche und ortsaufgelöste Messungen im Feld erlaubt.

Mit dieser Forschung leistet die Professur einen Beitrag zur Weiterentwicklung isotopenaufgelöster Umweltanalytik. Das System eröffnet neue Möglichkeiten für die Klimaforschung, etwa zur Untersuchung von Methanemissionen aus tauendem Permafrost, zur flugzeuggestützten Quellcharakterisierung, zur Altersbestimmung arktischer Methanemissionen oder zur Analyse biologischer Kohlenstoffkreisläufe. Damit wird eine technologische Grundlage geschaffen, um Herkunft und Dynamik klimarelevanter Treibhausgase künftig deutlich präziser zu bestimmen.

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