de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam des Instituts für Experimentalphysik der Technischen Universität Graz (TU Graz) hat ein neuartiges UV-Doppelkamm-Spektrometer entwickelt, das gasförmige Luftschadstoffe mit extrem hoher Präzision und Empfindlichkeit nachweisen kann. Das Gerät nutzt zwei ultraviolette Laserstrahlen und kann innerhalb einer halben Sekunde die Konzentration von Schadstoffen wie Formaldehyd messen, mit einer Reichweite von bis zu 2,5 Kilometern. Es eignet sich für mobile Messungen von Luftschadstoffen und Gaslecks in städtischen, industriellen und landwirtschaftlichen Gebieten.
Die Funktionsweise des Spektrometers: Das Gerät erzeugt in Bruchteilen einer Sekunde zwei Laserpulse im ultravioletten Spektralbereich. Wenn diese auf Gasmoleküle treffen, regen sie Elektronen an und verursachen Rotations-Schwingungs-Übergänge. Jeder gasförmige Stoff hat einzigartige Rotations-Schwingungs-Übergänge und absorbiert das Laserlicht auf charakteristische Weise, wodurch ein eigener „Fingerabdruck" entsteht. Die Leiterin des Forschungsteams, Birgitta Schultze-Bernhardt, erklärt, dass das UV-Doppelkamm-Spektrometer diese Merkmale identifizieren kann.
Vor etwa zwei Jahren entwickelten Schultze-Bernhardt und ihr Team die erste Version des Spektrometers, damals das weltweit erste Gerät dieser Art, das jedoch für Messungen eine große Laboranlage benötigte. Die neue Version wurde auf die Größe eines Umzugskartons verkleinert, was durch die Verwendung einer einzigen Laserquelle zur Erzeugung der beiden Laserpulse und den Wegfall der komplexen elektronischen Stabilisierung des Systems erreicht wurde.
Das Spektrometer kann UV-Lichtfrequenzen mit einer Auflösung von 1 GHz detektieren und übertrifft damit herkömmliche UV-Spektrometer. Bei Tests mit Formaldehyd gewannen die Forscher neue Erkenntnisse über die UV-Lichtabsorption dieses Luftschadstoffs und maßen Absorptionsmuster, die zuvor aufgrund unzureichender Geräteauflösung nicht beobachtet werden konnten.
Dank der Messdaten der TU Graz wurden Fehler in den Rotationskonstanten von Formaldehyd entdeckt, die seit den 1960er Jahren in physikalischen Datenbanken und Lehrbüchern gespeichert waren. Schultze-Bernhardt berichtet, dass das Team in Zusammenarbeit mit der Abteilung für Atom- und Molekülphysik des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in den USA die Werte dieser Moleküleigenschaften um bis zu 15 % korrigierte. Dieser Fortschritt in der Grundlagenforschung wurde auch durch die Zusammenarbeit mit Rolf Breinbauer vom Institut für Organische Chemie der TU Graz ermöglicht, der in einem zweistufigen Verfahren hochreines Formaldehyd für die Untersuchungen herstellte.
Neben der Grundlagenforschung hat das Spektrometer das Potenzial, Messungen von Luftschadstoffen und Gaslecks in städtischen und industriellen Gebieten präziser und einfacher zu machen. Schultze-Bernhardt erklärt, dass das Gerät grundsätzlich jede halbtransparente gasförmige Substanz genau nachweisen kann, und das Team arbeitet daran, die Konzentration mehrerer Schadstoffe in einer einzigen Messung zu bestimmen. Im Rahmen eines „Proof of Concept Grant" des Europäischen Forschungsrats (ERC) entwickelt sie ein UV-Spektrometer, das von Nicht-Experten wie Unternehmen oder Umweltbehörden zur Luftqualitätsüberwachung eingesetzt werden kann.
Die Entwicklung des UV-Doppelkamm-Spektrometers basiert auf einem von Schultze-Bernhardt geleiteten Forschungsprojekt, das vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) und dem Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert wurde. Die Grazer Kooperationsinitiative NAWI Graz finanzierte im Rahmen der Infrastrukturförderung die neue Laserquelle des aktuellen Spektrometers.
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