Aktuelles - Juli 2008

Mit Mikro-Plasma ohne Vakuum feinste Gasspuren im Aktenkofferlabor analysieren

Mobiles System für Umwelt-, Sicherheits- und Kriminaltechnik

Das Gasanalyse-Labor im Aktenkoffer: Eine Entwicklung, mit der winzige Gasproben schnell und vor Ort mit höchster Präzision durch plasmaphysikalische Methoden ana­lysiert werden können, haben die FernUniversität in Hagen und das ISAS – Institute for Analytical Sciences in Dortmund in Angriff genommen. Ein künstliches Vakuum ist dafür nicht mehr nötig. Das Projekt „Planar-integriertes Mikrosystem aus Hohlkathoden-Plasmagenerator und optischem Kollektor für spektroskopische Gasanalytik“ wird zwei Jahre lang von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Dr. Matthias Gruber, an der FernUniversität Juniorprofessor für Optische Mikrosysteme, und Dipl.-Ing. Richard Heming, ISAS, sehen eine Vielfalt möglicher Anwendungen in Wissenschaft und Praxis, von der Umwelttechnik über die Sicherheitstechnik (u. a. Aufspüren von Lecks in Gasleitungen) und den naturwissenschaftlichen Schulunterricht bis hin zur Kriminaltechnik und vielleicht sogar für die Luft- und Raumfahrt. Gemessen werden können mit der Gemeinschaftsentwicklung der Universität und des anwendungsorientierten Instituts Größenordnungen von einem Teil in einer Milliarde anderer Teile (englisch: one part per billion – ppb), also beispielsweise der Rauch eines Zuges aus einer Zigarette in einem Raum von der Größe der Arena auf Schalke.

Apropos Zigaretten: Die gesamte Apparatur dürfte so klein sein, dass sie bequem in zwei Zigarettenschachteln passt.

Atome und Moleküle senden Licht mehrerer verschiedener Wellenlängen aus, wenn sie z.B. elektrisch dazu angeregt werden. Jedes Atom oder Molekül kann anhand seiner individuellen Spektralfarben eindeutig erkannt werden. „Jeder Stoff hat quasi seinen eigenen spektralen Fingerabdruck“, erläutert Gruber.

Dies wurde am ISAS ausgenutzt, um einen miniaturisierten Aufbau eines Gasanalysators zu entwickeln. Ein Gas wird in eine haarbreite Öffnung in einen durchbohrten Keramik-Objektträger eingeblasen und einer hohen Spannung ausgesetzt. Dabei entsteht ein Plasma, ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre. Aus der zweiten Öffnung der Bohrung sendet es Licht aus. Ein wenig davon wird von einer Linsenoptik aufgefangen, zu einem Spektrometer geleitet und in diesem analysiert.

Dank dieser miniaturisierten Anordnung kann dieses Plasma – im Unterschied zu herkömmlichen Plasmen (früher auch Niederdruckplasmen genannt) – auch unter Umgebungsdruck betrieben werden. Gruber: „Ein solches Mikro-System erzeugt genau die physikalischen Bedingungen, unter denen in normaler Luft ein Plasma gezündet werden kann – ohne ein Vakuum zu schaffen.

Das Modell der Einheit, in der Gas durch Strom zum Plasma wird - das austretende Licht wird von Glasfasern weiter geleitet

Extrem miniaturisiertes System

Um über die Spektralfarben die Gasbestandteile eindeutig zu identifizieren, können bisher nur 1 bis 2 Prozent des entstandenen Lichts genutzt werden, denn der weitaus größte Teil wird von dem umgebenden Keramikkörper maskiert.

Anders ist es bei dem extrem miniaturisierten System, das in Hagen und Dortmund entwickelt wird. Hier ersetzt Quarzglas die Keramik (hierauf haben die Entwickler bereits ein Patent). Auch das in diesem Hohlkathoden-Plasmagenerator gezündete Gas sendet Licht aus. Dieses wird von dem Glaskörper nicht abgefangen, sondern zu Glasfasern weitergeleitet, die ihn umgeben. Der mikrooptische Kollektor hat einen Durchmesser von nur etwa 5 Millimetern. Die Glasfasern leiten das Licht zu einem sehr kleinen Spektrometer. Durch die Verwendung biegsamer Faserbündel ist das gesamte System flexibel und unempfindlich.

Neben der großen Arbeitsvereinfachung durch die Miniaturisierung und den Wegfall des Vakuums ist die extreme Lichtausbeute ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens. Zur Gasanalyse herangezogen werden insgesamt rund 80 Prozent – ein Quantensprung, der durch die große Erfahrung der FernUni-Forscher auf dem Gebiet der mikrooptischen Systemintegration möglich wurde. Zu Gute kommt ihnen dabei, dass sie ihre Mikrosysteme komplett im eigenen Reinraum fertigen können.

Die quantitative Verbesserung der Lichtausbeute hat eine qualitative zur Folge: „Der Signal-Rausch-Abstand wird um eine 10er-Potenz besser“, unterstreicht Richard Heming, „dadurch werden kleinste Spuren von Gasen erkennbar“. Das Messsignal hebt sich besser vom Umgebungsrauschen ab, dadurch steigt die Messgenauigkeit.

Bei dem neuen Verfahren speisen batterietaugliche Spannungen von weniger als zehn Volt einen Plasmagenerator, der die nötige Plasmaspannung von über Tausend Volt erzeugt. Das System ist also auch bezüglich der Energieversorgung mobil. Wechselstrom ersetzt Gleichstrom, der die Plasma-Röhre mit abgetragenem Material zusetzen könnte.

Dipl.-Ing. Richard Heming, ISAS und die beiden FernUni-Mitarbeiter apl. Prof. Dr. Matthias Gruber und Michael Bohling arbeiten zusammen

„Leuchtendes Beispiel“ für interdisziplinäre Kooperationen

„Unsere Mikro-Plasma-Entwicklung ist hoffentlich ein ‚leuchtendes’ Beispiel dafür, wie auch kleine Forschungseinheiten durch interdisziplinäre Kooperationen mit anwendungsorientierten Einrichtungen schöne Projekte konzipieren können, die aufgrund ihres Erfolgsversprechens DFG-Mittel bekommen können“, hofft Gruber. Ähnlich sieht das Heming: „Man muss Ressourcen nutzen, Kompetenzen vernetzen, über Grenzen blicken – dann kann man alles aus einer Hand anbieten.“ Ein wesentlicher Grund für die DFG-Förderung ist nach seiner Ansicht, dass die FernUniversität und das ISAS alles selbst entwickeln können.

Die Anwendungsmöglichkeiten reichen weit, „selbst die zurzeit so beliebten Tatort-Ermittler in TV-Krimis könnten das System später einmal einsetzen“, schmunzelt Gruber.

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