Ein internationales Forscherteam hat ein Lasersystem entwickelt, das in wenigen Sekunden mehrere Schadstoffe in der Luft gleichzeitig erkennen kann. Die Technologie nutzt spezielle optische Fasern und Druckgase, um hochpräzise Laserstrahlen zu erzeugen. Die ersten Tests zeigen einen schnellen und zuverlässigen Nachweis von CO2 und SO2, zwei Hauptgasen, die für die globale Erwärmung und Luftverschmutzung verantwortlich sind.
Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sterben jährlich sieben Millionen Menschen an der Luftverschmutzung. Sie ist eine der größten Herausforderungen unseres Jahrhunderts. Fortschrittliche spektroskopische Werkzeuge zur Erkennung von Umweltgasen, die in der Lage sind, mehrere Gase in Echtzeit und mit hoher Empfindlichkeit genau zu überwachen, sind daher für die Welt von größter Bedeutung.
Ein innovatives optisches System zur Schadstoffverfolgung
Das Team um Associate Professor Christos Markos von der DTU Electro in Dänemark präsentierte in Nature Communications eine neue Methode zur Synthese mehrerer schmaler, präziser und unabhängig abgestimmter optischer Spektrallinien im nahen und mittleren Infrarot.
Der Laser wurde mit Photoakustik kombiniert und die Forscher demonstrierten die Fähigkeit eines robusten Systems, mehrere Gase in Echtzeit und mit hoher Empfindlichkeit zu überwachen. Das entwickelte System basiert auf der neuen Technologie gasgefüllter Hohlkern-Antiresonanzfasern, deren Autoren zu den weltweit führenden Unternehmen gehören. Zwei verschiedene, mit aktiven Gasen gefüllte Hohlkernfasern werden in einer Kaskadenkonfiguration kombiniert und erzeugen starke Laserimpulse, die auf Kohlendioxid und Schwefeldioxid abzielen.
Das Gerät basiert auf zwei mit Gas gefüllten hohlen optischen Fasern, die als ultraselektive Filter fungieren. Die erste Faser enthält unter Druck stehendes Methan, während die zweite Wasserstoff enthält. Diese Konfiguration ermöglicht die Erzeugung von Laserstrahlen, die perfekt zur Identifizierung der spezifischen „Signaturen“ der in der Luft gesuchten Gase geeignet sind.
Schnelle und gleichzeitige Erkennung von Schadstoffen
Der große Vorteil des Systems liegt in seiner Fähigkeit, mehrere Gase gleichzeitig zu analysieren, wobei aktuelle Technologien diese einzeln erkennen müssen. Die Forscher betonen, dass „jeder Laserstrahl gezielt auf ein Gas zielt, ohne die anderen vorhandenen Moleküle zu beeinträchtigen“.
Die Vorteile des Gerätes:
• Sekundenschnelle Analyse mehrerer Gase
• Erhöhte Präzision durch ultradünne Laser
• Höhere Zuverlässigkeit als bestehende Systeme
Konkrete Anwendungen für die Umwelt
Ein solches System kann in der Schwerindustrie und der Schifffahrt zur Überwachung schädlicher Emissionen und Treibhausgasemissionen eingesetzt werden. Dies ist Teil der neuen EU-Verordnungen, die das Ziel festlegen, die Netto-Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 55 % im Vergleich zum Niveau von 1990 zu reduzieren.
Die ersten Tests zeigten die Wirksamkeit des Systems bei der Erkennung von CO2 und SO2. Diese beiden Gase spielen eine zentrale Rolle für die Luftqualität und den Klimawandel. CO2 ist das wichtigste vom Menschen verursachte Treibhausgas, während SO2 zu saurem Regen und städtischer Umweltverschmutzung beiträgt.
Anwendungsgebiete:
• Überwachung der Verschmutzung in der Stadt
• Kontrolle industrieller Ableitungen
• Überwachung atmosphärischer Veränderungen
Ein anpassungsfähiges Werkzeug für die Zukunft
Durch einfache Anpassung der Laserparameter kann das System so modifiziert werden, dass es auch andere Arten von Gasen erkennen kann. Forscher arbeiten daran, die Größe des Geräts zu reduzieren, um es im Feld transportierbar zu machen.
Diese neue Lasertechnologie markiert einen Durchbruch bei der Erkennung atmosphärischer Gase. Seine Fähigkeit, mehrere Schadstoffe gleichzeitig zu messen, bietet erweiterte Möglichkeiten für den Umweltschutz und den Kampf gegen den Klimawandel.
Artikel: „Die Synthese gasgefüllter antiresonanter Hohlkernfaser-Raman-Linien ermöglicht den Zugang zur molekularen Fingerabdruckregion“ – DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52589-8#MOESM5
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