Sensor E-Plus

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Ein effektives und nachhaltiges Umweltmonitoring ist grundlegender Bestandteil einer jeden umweltschützenden Anwendung und wird maßgeblich durch die Güte der zur Verfügung stehenden Daten und Messgrößen bestimmt. Die systematische Erfassung der umweltrelevanten Stoffe ist wiederum von der Qualität der eingesetzten Analysesysteme abhängig. Sensoren, die direkt (online) in aquatischen Systemen eingesetzt werden, bieten das größte Potenzial  zur kontinuierlichen, räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Detektion von Schadstoffen. Momentan haben jedoch Sensoren z.B. zur Detektion von klimarelevanten Treibhausgasen wie Methan oder CO2  ihre Limitationen in Bezug auf die Nachweisgrenze und Einsatztiefe. Grund hierfür sind deren Probeneinlasssysteme (SIS), bzw. exakter die Membranhalterungen, die bei den meisten Messsystemen artverwandt sind.

Diese müssen so konzipiert sein, dass sie (a) eine hohe Durchlässigkeit/Porosität aufweisen (minimale Nachweisgrenze der zu analysierende Gase) und (b)  druckstabil sind um dem hydrostatischen Druck Stand zu halten (maximale Einsatztiefe). Die heute produzierten SIS erfüllen derzeit jeweils nur eine dieser Anforderung, und diese oftmals nicht zufriedenstellend.

Im Rahmen des Projektes werden diese zwei Anforderungen optimiert, sodass die Nachweisgrenze der Sensoren verringert werden kann und auch die Einsatzfähigkeit selbst bei hohen Einsatztiefen noch gewährleistet ist. Um dies zu erreichen, wird die Halterung der SIS mit dem Ansatz einer bionischen Struktur-Optimierung der Abteilung  Bionischer Leichtbau des Alfred-Wegener-Institutes und additiven Fertigungsverfahren im Hinblick auf eine druckfeste Struktur entwickelt.

Eine weitere, erhebliche Verbesserung des Probeneinlasssystems und damit der gesamten Performance des Sensors wird zudem durch die kontrollierte Aufheizung der SIS-Oberfläche durch ein innovatives Temperaturmanagement erreicht. Die Temperierung verbessert die Diffusionseigenschaften und führt dazu, dass geringere Konzentrationen erfasst werden können. Die Einsatzfähigkeit der entwickelten SIS-Struktur erfolgt durch die Integration und Anpassung an einen hochentwickelten Sensor (Unterwassermassenspektrometer) der Abteilung  Marine Geochemie des Alfred-Wegener-Institutes. Damit kann diese Entwicklung  nach der Überführung in die Marktreife für die Industrie eingesetzt werden. Zudem leistet die Innovation einen detaillierten Forschungsbeitrag zur Analyse der Auswirkungen von Methan und CO2, emittiert aus aquatischen Systemen in Bezug auf die Klimaveränderung. Die Sicherstellung des Technologietransfers erfolgt durch eine Kooperation mit der AWI-Ausgründung SubSeaSpec.

Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung eines modular einsetzbaren Probeneinlasssystems, das erstmals gleichzeitig die gewünschten Anforderungen an die Gaspermeabilität erreicht und zudem den Einsatzbereich durch die Erhöhung der Druckfestigkeit steigert. Die Ziele umfassen im Einzelnen folgende Punkte:

  • Auf verschiedene Sensoren adaptierbare SIS Einheit

  • Verbesserung der Nachweisgrenze der Sensoren

  • Höhere Permeabilität der Oberfläche als alle momentan erhältlichen Membranhalterungen (Porosität über  80 %)

  • Druckfeste, tiefseetaugliche Struktur (Einsatztiefe von 2000 m bis 4000 m).

  • Homogene, präzise regelbare Heizung der Grenzschicht zur schnelleren Detektion von geringsten Konzentrationen umweltrelevanter Stoffe und Messgrößen auch in großen Einsatztiefen.

  • Effekte und Anwendungsbereiche der Innovation:

  • Hochaufgelöste Detektion von Gasen wie CO2 und Methan, freigesetzt aus den Meeresböden und Sedimenten in Feuchtgebieten. (Entscheidender Beitrag zur Analyse der Klimaveränderung, nur erreichbar durch Sensoren mit einer entsprechenden Sensitivität)

  • Deutlich schnellere Detektion geringster Konzentrationen von Öl und dessen Abbauprodukten im Falle von Havarien von Schiffen oder Öl/Gasplattformen (Einleitung geeigneter Gegenmaßnahmen ohne Zeitverlust)

  • Kontinuierliche Umweltüberwachung von aquatischen Ökosystemen (Die Aufnahme von Schadstoffen führt unmittelbar zu einer Störung des ökologischen Gleichgewichts)