Wie Hightech die Erde entgiften kann

„Bodenfruchtbarkeit und Bodengesundheit sind zwei grundlegende Voraussetzungen menschlicher Existenz auf unserer Erde“, sagte seinerzeit der damalige deutsche Bundeskanzler Helmut Kohl. Doch der Boden ist belastet. Insbesondere der Bergbau und die Errichtung von Infrastruktur, die Nutzung und Verwertung von Biomasse sowie Verbrennungsprozesse sind dafür verantwortlich, wie Martin Gerzabek vom Institut für Bodenforschung an der Universität für Bodenkultur Wien weiß. Denn die setzen Schadstoffe frei. „In einem Gleichgewichtszustand in der Umwelt findet sich letztlich der Großteil der Schadstoffe irgendwann im Boden und den Sedimenten – in Summe bis zu 99 Prozent.“

Neues Messverfahren

Um die Erde reinigen zu können, müssen diese Toxine zunächst identifiziert werden. Die sogenannte Infrarotspektroskopie ist dabei ein universelles, analytisches Verfahren. „Das Problem mit gegenwärtig verfügbaren Detektoren ist aber, dass sie nicht sehr empfindlich sind“, sagt Forscherin Josiane Lafleur der futurezone. Kleine Mengen von Schadstoffen würden somit nicht erkannt. Damit die Sensoren empfindlicher werden, müssten sie auf fast Null Grad heruntergekühlt werden. Lafleur hat gemeinsam mit Silvan Schmid das Wiener Start-up Invisible Light Labs gegründet und einen Detektor entwickelt, der auf nanomechanischer Basis Licht im Infrarot (IR)- und Terahertz (THz)-Bereich mit außerordentlicher  Empfindlichkeit misst. Und zwar bei Raumtemperatur.

„Photonen haben im IR-Bereich kaum Energie, was ihre Detektion speziell bei größeren Wellenlängen erschwert“, sagt die Expertin. Aber: Auch wenn IR-Licht nicht sichtbar ist, ließe sich die Hitze messen, die es erzeugt. Der Sensor funktioniert dabei wie eine Musiktrommel mit einer sehr dünnen Membran, die bei einem bestimmten Ton vibriert. „Die Membran dehnt sich aus oder zieht sich zusammen und klingt anders“, sagt sie. So würde sich auch der Detektor „verstimmen“, wenn er warmem IR-Licht ausgesetzt wird (siehe Grafik). „Und wir können diese Veränderung sehr gut hören“, sagt Lafleur.
 

Vielfältiger Einsatz

Die chemischen Verbindungen in den Molekülen interagieren mit der IR-Strahlung, was ein ausgeprägtes Signal auslöst – einen sogenannten „molekularen Fingerabdruck“. Der ermöglicht eine Identifizierung und Quantifizierung eines Schadstoffes – nicht nur in der Erde, sondern auch im Wasser. Mit der Unterstützung der Austria Wirtschaftsservice (aws) und dem European Research Council (ERC) wird derzeit der erste kommerzielle Prototyp hergestellt, der in der ersten Hälfte des kommenden Jahres getestet wird. Der Sensor kann unter anderem zur Überwachung von Gesundheitsrisiken bei Industrie-Mitarbeitern sowie zur Qualitätskontrolle in der Pharma- und Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.

Gifte weiten sich aus

Auch zur Überwachung von Umweltgiften soll die Innovation zum Einsatz kommen. Und davon gibt es genug. Laut Bodenforscher Gerzabek sind speziell Schwermetalle wie Blei oder Quecksilber und Metalloide wie Arsen, aber auch Radionuklide wie Plutonium  im Boden auffindbar. Organische Schadstoffe, etwa Kohlenwasserstoffe, Pflanzenschutzmittel oder Medikamente seien ebenfalls nachweisbar. Laut dem Umweltbundesamt  haben sie sich von industrienahen Gebieten sowie Ackerflächen mit Klärschlammaufbringung auf Weide- und Wiesenflächen ausgeweitet. „Die häufigste Ursache von Kontaminationen in Österreich durch gewerbliche oder industrielle Aktivitäten sind Tankstellen, gefolgt von der Papierindustrie, KFZ-Betrieben, die Metallindustrie, Lager- und Umschlagplätze oder die chemische Industrie“, so Gerzabek.

Die freigesetzten Gifte kommen dabei zwangsläufig zum Menschen zurück: „Werden Schwermetalle oder Radionuklide über die Pflanzenwurzel aufgenommen und in die oberirdischen Pflanzenteile, insbesondere in die vom Menschen genutzten, transportiert, können sie entweder direkt oder über den Umweg des Tierfutters und tierischer Nahrungsmittel bis zum Menschen gelangen“, warnt der Experte. Mit besseren Detektionstechnologien  könnten die Risiken aber eingedämmt werden. „Unser modernes Leben ist  durch die Integration von Sensoren in unseren Smartphones und Autos viel einfacher geworden. Ich kann  mir  nur vorstellen, was die Zukunft uns noch bringt“, sagt Forscherin Lafleur.

Dieser Artikel entstand im Rahmen einer redaktionellen Kooperation zwischen futurezone und aws.