Mobiles Gerät zur hochpräzisen Messung von Luftschadstoffen

Ein neuartiges, von Birgitta Schultze-Bernhardt am Institut für Experimentalphysik der TU Graz entwickeltes UV-Dualkamm-Spektrometer detektiert gasförmige Luftschadstoffe mit bislang unerreichter Genauigkeit und Empfindlichkeit. Mittels eines ultravioletten Doppellaserlichts misst das Gerät innerhalb einer halben Sekunde die Konzentration schädlicher Gase wie Formaldehyd. Durch seine kompakte Bauweise und eine Messreichweite von bis zu zweieinhalb Kilometern eignet sich das Spektrometer ideal für den mobilen Einsatz und die Überwachung der Luftqualität. Damit kann es neben Laboranalysen auch zur Detektion von Luftschadstoffen und Gaslecks in Städten, Industriegebieten sowie landwirtschaftlichen Regionen eingesetzt werden.

Fingerabdruck von Schadstoffen

Als Ausgangspunkt für seine Messung erzeugt das Gerät innerhalb von Sekundenbruchteilen zwei Laserimpulse im ultravioletten Spektralbereich. Trifft dieses UV-Licht auf Gasmoleküle, regt es diese elektronisch an und bringt sie zum Rotieren und Vibrieren, was in der Physik als rovibronische Übergänge bezeichnet wird. Diese Übergänge sind bei jedem gasförmigen Stoff individuell und verschlucken auf einzigartige Weise einen Teil des Laserlichts. „Jeder Luftschadstoff hat also seinen eigenen Fingerabdruck, den unser UV-Dualkamm-Spektrometer erkennt“, sagt Birgitta Schultze-Bernhardt.

Während die vor gut zwei Jahren vom Team entwickelte, erste Version des Spektrometers noch große Laboraufbauten benötigte, ist die Neuentwicklung auf die Größe eines Umzugskartons geschrumpft. Möglich wird dies unter anderem dadurch, dass nun eine statt zwei Laserquellen den Doppellaserimpuls erzeugt. „Dadurch können wir auch auf die aufwendige elektronische Stabilisierung des Systems verzichten“, erläutert Birgitta Schultze-Bernhardt.

Auflösung von 1 GHz

Das neue Spektrometer detektiert die Frequenzen des UV-Lichts mit einer Auflösung von 1 GHz und übertrifft damit alle herkömmlichen UV-Spektrometer deutlich. Dadurch konnten die Forschenden bei Tests mit Formaldehyd neue, grundlegende Erkenntnisse über die UV-Licht-Absorption des Luftschadstoffs gewinnen: „Wir haben Absorptionsmuster gemessen, die vorher noch nie experimentell beobachtet wurden, da die Auflösung bisheriger Geräte zu ungenau war“, sagt Birgitta Schultze-Bernhardt.

57 Jahre alte Rotationskonstanten korrigiert

Durch die Messungen in Graz haben sich die Rotationskonstanten von Formaldehyd, die seit den 1960er-Jahren in Physik-Datenbanken und Lehrbüchern stehen, als falsch herausgestellt. „In Zusammenarbeit mit dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Atomic and Molecular Physics in den USA haben wir die Werte dieser fundamentalen, molekülspezifischen Kenngröße um bis zu 15 Prozent korrigiert“, sagt Birgitta Schultze-Bernhardt. Zu diesem Fortschritt beigetragen hat auch die Zusammenarbeit mit Rolf Breinbauer vom Institut für Organische Chemie der TU Graz. Er stellte in einem zweistufigen Verfahren hochreines Formaldehyd für die Untersuchungen her.

Praktische Anwendung im Umweltschutz

Über die Grundlagenforschung hinaus besitzt das Spektrometer das Potenzial, die Überwachung von Luftschadstoffen und Gaslecks in urbanen sowie industriellen Gebieten erheblich präziser und unkomplizierter zu gestalten. „Mit unserem Gerät lässt sich prinzipiell jede halbwegs durchsichtige, gasförmige Substanz genau detektieren. Und wir arbeiten derzeit daran, die Konzentration von mehreren Schadstoffen mit einer einzigen Messung zu bestimmen“, sagt Birgitta Schultze-Bernhardt. Die Experimentalphysikerin entwickelt parallel ein UV-Spektrometer, das künftig auch von Laien in Unternehmen oder Umweltbehörden zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt werden kann.

Quelle

Technische Universität Graz (05/2026)