Durch Menschen verursachtes Methan in der Athmospäre spektroskopisch messen

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.

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 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.

Quelle: Hochschule Hamburg