Die Technische Universität Graz hat mit einem innovativen Gerät, dem UV-Dualkamm-Spektrometer, einen bedeutenden Fortschritt in der Messung von Luftschadstoffen erzielt. Unter der Leitung von Professorin Birgitta Schultze-Bernhardt vom Institut für Experimentalphysik wurde ein kompaktes Spektrometer entwickelt, das in der Lage ist, schädliche Gase mit einer bisher unerreichten Genauigkeit und Empfindlichkeit zu detektieren. Dieses Gerät könnte nicht nur die Forschung im Bereich der Luftqualität revolutionieren, sondern auch praktische Anwendungen in städtischen und industriellen Umgebungen finden.
Das neuartige Spektrometer nutzt ultraviolette Doppellaserlichtquellen, um innerhalb von nur einer halben Sekunde die Konzentrationen von Luftschadstoffen wie Formaldehyd zu messen. Mit einer effektiven Reichweite von bis zu zweieinhalb Kilometern bietet es die Möglichkeit, präzise mobile Messungen durchzuführen, die sowohl in Laboren als auch im Freien eingesetzt werden können. Diese Vielseitigkeit macht das Gerät zu einem wertvollen Werkzeug für die Überwachung der Luftqualität in urbanen Gebieten, Industrieanlagen und landwirtschaftlichen Regionen.
Ein zentrales Merkmal des Spektrometers ist seine Fähigkeit, den spezifischen „Fingerabdruck“ von Schadstoffen zu identifizieren. Bei der Messung erzeugt das Gerät in Sekundenbruchteilen zwei Laserimpulse im ultravioletten Spektralbereich. Wenn dieses UV-Licht auf Gasmoleküle trifft, regt es diese an und bringt sie zum Rotieren und Vibrieren – ein Prozess, der als rovibronischer Übergang bekannt ist. Jeder Luftschadstoff hat ein einzigartiges Absorptionsmuster, das das Spektrometer erkennen kann. Professorin Schultze-Bernhardt erklärt: „Jeder Schadstoff hat seinen eigenen Fingerabdruck, den unser Spektrometer identifiziert.“
Die erste Version des Spektrometers wurde vor zwei Jahren entwickelt und war das erste seiner Art weltweit. Allerdings war das ursprüngliche Modell sehr groß und erforderte umfangreiche Laboraufbauten. Die aktuelle Version wurde stark miniaturisiert und ist jetzt etwa so groß wie ein Umzugskarton. Dieser Fortschritt wurde durch die Verwendung einer einzigen Laserquelle anstelle von zwei erreicht, wodurch die Notwendigkeit einer aufwendigen elektronischen Stabilisierung entfiel. Dies hat die Handhabung und den Einsatz des Geräts erheblich vereinfacht.
Eine herausragende technische Eigenschaft des neuen Spektrometers ist die Erkennung der Frequenzen des UV-Lichts mit einer Auflösung von 1 GHz. Diese außergewöhnliche Präzision ermöglicht es den Forschenden, neue Erkenntnisse über die UV-Absorption von Formaldehyd zu gewinnen, die zuvor nicht experimentell nachgewiesen werden konnten. Professorin Schultze-Bernhardt berichtet, dass die Rotationskonstanten von Formaldehyd, die seit den 1960er-Jahren in der Physik als korrekt galten, durch ihre Messungen neu bewertet wurden. In Zusammenarbeit mit dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics wurden diese Werte um bis zu 15 Prozent korrigiert, was einen bedeutenden Beitrag zur Grundlagenforschung darstellt.
Das Potenzial des Spektrometers geht über die Grundlagenforschung hinaus. Es könnte die Messung von Luftschadstoffen in städtischen und industriellen Kontexten erheblich verbessern. „Mit unserem Gerät können wir prinzipiell jede halbwegs durchsichtige, gasförmige Substanz genau detektieren“, sagt Schultze-Bernhardt. Derzeit arbeiten sie daran, die gleichzeitige Messung mehrerer Schadstoffe in einer einzigen Analyse zu ermöglichen.
Ein weiteres spannendes Projekt, das sich aus der Entwicklung des Spektrometers ergibt, ist die Schaffung eines benutzerfreundlichen UV-Spektrometers, das auch von Laien, beispielsweise in Unternehmen oder Umweltbehörden, zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt werden kann. Dieses Vorhaben wird durch einen Proof of Concept Grant des Europäischen Forschungsrats unterstützt.
Die Entwicklung des UV-Dualkamm-Spektrometers wurde durch verschiedene Forschungsprojekte gefördert, darunter Initiativen des Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und des Europäischen Forschungsrats ERC. Zudem wurde die neuartige Laserquelle des aktuellen Modells durch die Kooperationsinitiative NAWI Graz finanziert.
Insgesamt stellt das UV-Dualkamm-Spektrometer einen bedeutenden Fortschritt in der Messung von Luftschadstoffen dar und könnte maßgeblich zur Verbesserung der Luftqualität in verschiedenen Umgebungen beitragen. Die Arbeiten von Professorin Birgitta Schultze-Bernhardt und ihrem Team an der TU Graz könnten somit nicht nur die
