Neuer hochpräziser Laser misst Treibhausgase

Das natürliche Gleichgewicht unserer Atmosphäre ist durch die vom Menschen verursachten Treibhausgase wie Methan (CH4) oder Kohlendioxid (CO2) gestört. Um deren Emission zu reduzieren, müssen sie erst gemessen werden. Das kann unterschiedlich erfolgen: Deren weltweite Konzentration wird zum Beispiel seit über 10 Jahren vom japanischen Satelliten Ibuki vom Weltraum aus überwacht. 

„Eine Satellitenmessung erfolgt durch die gesamte Atmosphäre von oben nach unten, also in einem sehr großen Bereich“, sagt der Physiker Oliver Heckl vom Fakultätszentrum für Nanostrukturforschung an der Uni Wien. Allerdings ist diese Messung abhängig von der Bewölkung oder verschiedenen Luftströmungen, was wiederum viel Rechenarbeit bedeutet. 

In Österreich hingegen werden diese Gase unter anderem mittels Laserspektroskopie ausgelesen. Diese Methode funktioniert zwar genau, allerdings nur bei einer Wellenlänge. Das bedeutet, dass nur ein Gas gemessen werden kann. 

Neuartiger Laser

Mit einem neuen Laser, der derzeit an der Universität Wien entwickelt wird, könnte künftig das Ausmaß fast aller Treibhausgase gemessen werden. Er funktioniert breitbandig – also im großen Wellenlängenbereich. Auch würde insbesondere die komplexere Messung von Methangas, das in viel kleineren Konzentrationen vorkommt als etwa Kohlendioxid, mit diesem Laser einfacher. Die Messung kann zudem mobil erfolgen.

Denn während Proben oft ins Labor gebracht werden, was einen langsameren Prozess bedeutet, funktioniert der neue Laser hingegen auch außerhalb eines Labors und arbeitet unabhängig von seinen Umweltbedingungen. „Im Labor muss es immer 22 Grad und 45 Prozent Luftfeuchtigkeit haben – und das möglichst präzise und zu jeder Zeit. Diese Voraussetzungen braucht unser neuer Laser nicht“, sagt der  Physiker. 

Auf Lkw gepackt

Das Instrument könne somit einfach auf einen Lastwagen gepackt werden und überall auf der Welt, etwa auch in infrastrukturschwachen Gebieten zum Einsatz kommen. Genau genommen kann der mobile Laser etwa dort verwendet werden, wo Öl gewonnen wird oder wo Fabriken stehen.

„Wenn man an die Quelle der Emissionen herankommt, ist es  einfacher, diese zu bekämpfen und zu reduzieren“, sagt der Experte. Ein spezifisches Leck in einer Erdgasanlage zu schließen sei einfacher, als die gesamte Anlage zu modernisieren. 

Licht durch Gas

Grundsätzlich wird bei einem Infrarot-Spektrometer Licht durch die Probe, also durch das Gas, gestrahlt. Gemessen wird, wie viel Licht vom Gas absorbiert wird. „Je nachdem, bei welcher Wellenlänge das Licht absorbiert wird, kann man Schlüsse auf das Gas ziehen“, so der Wiener Spezialist. Bei der Messung von Treibhausgasen im großen Wellenlängenbereich kommen in der Spektroskopie zunehmend zwei Frequenzkämme zum Einsatz. 

Ein Frequenzkamm ist eine Laserlichtquelle, die wie ein Kamm aus Zinken besteht. Der Kamm arbeitet nicht nur mit einer einzigen Frequenz, sondern strahlt Licht mit einer Vielzahl von sehr eng aneinanderliegenden Zinken ab, deren Frequenzabstand immer gleich weit ist. Diese Spektren werden mit einem zweiten Frequenzkamm ausgelesen. Dieses System nennt sich „Dual Comb Spektrometer“.  

Stabiles Signal

Eine Störanfälligkeit ist aber prinzipiell nicht auszuschließen, weil die beiden Kämme genau aufeinander abgestimmt sein müssen. „Wird ein Laser gestört, gibt es kein stabiles Signal “, sagt Heckl. Sein Forschungsziel ist es, diese Störanfälligkeit zu reduzieren. Er und sein Team wollen zwei Laser in einen einzigen packen, um auf diese Art die Stabilität des Signals gewährleisten zu können.