Neuland

Gute Aussicht, dicke Luft

Die Bruker Optik GmbH in Ettlingen entwickelt und vertreibt eine breite Palette von Fourierspektrometern für unterschiedliche Anwendungen, darunter auch Instrumente zur Detektion von atmosphärischen Spurengasen. Ein neues portables Fourierspektrometer zur hochgenauen Messung von Treibhausgasen wurde nun von Wissenschaftlern des KIT in Zusammenarbeit mit Bruker entwickelt.

Patent: Bruker; Einsatz: Klima und Umwelt; Auszeichnung: Woche der Umwelt

Der Blick vom Mauna Loa lässt nicht unbedingt an die klassischen Bilder verpesteter Luft denken. Der aktive Vulkan auf Hawaii liegt malerisch und nahezu menschenleer. Trotzdem fällt der Name Mauna Loa oft dann, wenn es um den Klimawandel und Kohlenstoffdioxid geht. Die Ausläufer des Vulkans beherbergen eine meteorologische Station, die seit 1958 den Einfluss des Menschen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre misst. Die so erfasste Kurve zeigt einen steigenden Kohlendioxidgehalt und bildet eine gute Basis für die Dokumentation langfristiger Entwicklungen. Für die Bewertung konkreter Maßnahmen im Bereich des Klimaschutzes, letztlich auch, um die richtigen politischen und wirtschaftlichen Entscheidungen zu treffen, werden genaue und repräsentative Messungen des Kohlenstoffdioxidgehalts an möglichst vielen Orten benötigt. Dafür sorgen Wissenschaftler des KIT im Team um Dr. Frank Hase am Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung, unter Leitung von Prof. Dr. Johannes Orphal.

Die Klimaforscher des KIT haben ein mobiles Messinstrument entwickelt, mit dem sie Quellen und Senken von Treibhausgasen lokal ausmachen können. „Unser Gerät misst Gasmengen in der Atmosphäre mit bisher unerreichter Genauigkeit. Um die über alle Höhenschichten der Atmosphäre gemittelte Gasmenge zu bestimmen, verwenden die Geräte die durch die Gase bewirkte charakteristische Abschwächung der solaren Wärmestrahlung. Die neuen Spektrometer sind kleiner, robuster, mobiler und einfacher zu bedienen als die stationären Laborspektrometer, die für derartige Messungen üblicherweise in der Meteorologie eingesetzt werden“, erklärt Projektleiter Frank Hase. Das neue Spektrometer kann Änderungen des atmosphärischen Gehalts von Kohlenstoffdioxid und Methan von weniger als 0,1 Prozent detektieren. Indem mehrere dieser portablen Fourierspektrometer um eine zu untersuchende Region, zum Beispiel eine Großstadt, eine Industrieanlage oder eine Müllkippe, herum aufgestellt werden, lässt sich aus dem Vergleich der gemessenen Gasmengen auf der dem Wind zu- und abgewandten Seite die Stärke der Quelle ableiten.

„Unsere Geräte werden nicht nur in die ganze Welt verkauft und dort genutzt. Wir bauen dadurch auch ein globales Netzwerk zum Wohl der Klimaforschung auf.“

Dr. Frank Hase

Schon früh zeigte Bruker Interesse an den Plänen der Klimaforscher, ein maßgeschneidertes kompaktes Spektrometer für Treibhausgasmessungen zu entwickeln. Das Unternehmen ist Marktführer im Bereich großer spektral hochauflösender Spektrometer, wie sie für Laboranwendungen und die Atmosphärenforschung Verwendung finden. Bruker vertrieb zu Beginn der Zusammenarbeit 2011 ein handliches und solides Spektrometer zum Analyse-Einsatz bei Bränden, das EM27. „Unsere Kooperation mit dem KIT hatte zum Ziel, ausgehend vom EM27-Spektrometer ein neuartiges Instrument für Treibhausgasmessungen zu entwickeln. Hierzu wurde der optische Aufbau des Gerätes basierend auf den Voruntersuchungen des KIT verändert und das Gerät wurde mit einem kompakten Sonnenverfolger kombiniert. Mit dieser Neuentwicklung, dem EM27/SUN, lassen sich für die hier gegebene Fragestellung Ergebnisse mit einer Genauigkeit erzielen, die mit den traditionellen spektral hochauflösenden Messungen mit deutlich aufwändigeren und nicht portablen Geräten vergleichbar ist, da die Signale, also die gemessenen Spektren, sehr wenig Rauschen enthalten“, so Prof. Dr. Roland Harig von Bruker Optik.

Inzwischen setzen Klimaforscher rund um die Welt das Fourierspektrometer ein. Das Team am KIT betreibt heute – ermöglicht durch Fördermittel aus der Helmholtz-Forschungsinfrastruktur ACROSS – zehn mobile Instrumente und hat unter anderem bereits erfolgreich die Treibhausgasemissionen von Berlin, Paris und Tokio vermessen: Mit mehreren um die Stadt verteilten Spektrometern konnten sie sowohl die erhöhten Werte in der Abluftfahne der Stadt als auch die Hintergrundkonzentration messen, also die Menge an Treibhausgasen, die in der Atmosphäre heute vorliegt. Aus den Differenzen haben die Forscher die tatsächlichen Emissionsstärken von Kohlenstoffdioxid und Methan ermittelt. Ihre Daten können Ländern und Städten dabei helfen, Annahmen über ihre Emissionen mit direkten Messungen zu überprüfen. Die Messkampagnen um Paris und Tokio wurden in internationaler Zusammenarbeit durchgeführt: in Paris u.a. mit dem Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environment (LSCE), der Université Pierre et Marie Curie und der Université Paris-Est Créteil, in Tokio in Zusammenarbeit mit der japanischen Weltraumbehörde JAXA und dem National Institute for Environmental Studies (NIES).

Mit ihrem Verfahren haben sich die Forscher außerdem an ein besonderes Politikum gewagt: Im US-Bundesstaat Colorado konnten sie in Kooperation mit der University of Colorado in Boulder und dem National Center for Atmospheric Research (NCAR) in einem Gebiet mit starker Frackingaktivität nordwestlich von Denver sehr starke Methanemissionen nachweisen – ein gewichtiges Argument gegen die umstrittene Methode zur Gas- und Ölgewinnung.

Ihre weltweiten Aktivitäten und Bemühungen zum Klimaschutz haben nicht nur in Forschungskreisen Bahnen gezogen: 2016 stellte Frank Hase sein Verfahren bei der „Woche der Umwelt“ des Bundespräsidenten und der Deutschen Stiftung Umwelt im Berliner Schloss Bellevue vor. Die fortgesetzte Kooperation des KIT mit dem Industriepartner Bruker sorgt indessen dafür, dass die technische Neuerung nicht auf dem zunächst erreichten Stand stehenbleibt: Zwischenzeitlich haben die Forscher des KIT das Gerät um einen weiteren Spektralkanal erweitert, der zusätzlich die Messung von Kohlenmonoxid erlaubt. Ein Aspekt, der dem Forscher wichtig ist: „Jedes verkaufte Gerät sorgt für neue und bessere Erkenntnisse über den Kohlenstoffkreislauf und die anthropogenen Treibhausgasemissionen und befördert die internationale wissenschaftliche Kooperation in diesem Forschungsbereich. Wir können zusehen, wie der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre immer schneller ansteigt: Leider ist die Menschheit offensichtlich noch weit entfernt vom Ideal des vernünftigen nachhaltigen Wirtschaftens.“

EM27/SUN

Messprinzip des EM27/SUN Spektrometers

Das Fourierspektrometer nutzt die Sonnenstrahlung, um die entlang des Sehstrahles gemittelten atmosphärischen Gaskonzentrationen zu bestimmen. An der Außenseite trägt das Gerät eine Anordnung motorisch bewegter Spiegel, um dem Sonnenlauf am Himmel zu folgen.

Das Verfahren nutzt die von den Gasmolekülen bewirkte charakteristische wellenlängenabhängige Abschwächung der Sonnenstrahlung. Herzstück ist ein Fourierspektrometer, das die Helligkeit der Strahlung als Funktion der Wellenlänge bestimmt, ohne eine Farbzerlegung der Strahlung mit Prisma oder Beugungsgitter durchzuführen. Alle Anteile des Signals werden gleichzeitig erfasst durch die gezielte Überlagerung der eintreffenden Strahlungswellen, die sich dabei wie Wasserwellen verstärken oder abschwächen.

Die nachfolgende rechnerbasierte Auswertung der gemessenen Helligkeiten als Funktion der Wellenlänge liefert die gesuchten Treibhausgasmengen in der Atmosphäre.

Klima und Treibhausgase

Unsere technische Zivilisation hat den Gehalt der langlebigen Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) in der Atmosphäre gegenüber der vorindustriellen Zeit deutlich erhöht - Folge ist eine bereits nachweisbare Erwärmung des Erdklimas!

Die Erde nimmt Energie in Form von Sonnenlicht ein und strahlt langwellige thermische Infrarotstrahlung zurück ins All. Die Atmosphäre beeinflusst diesen Energieaustausch maßgeblich: während die Hauptbestandteile der Atmosphäre Stickstoff und Sauerstoff die austretende thermische Infrarotstrahlung ungehindert passieren lassen, machen Treibhausgase die Atmosphäre für diese Strahlung undurchlässiger und erhöhen so die Temperatur am Erdboden. Um genauere Vorhersagen zur weiteren Entwicklung des Klimas treffen zu können, ist es entscheidend, die Quellen und Senken dieser Treibhausgase noch besser zu verstehen.

Das hier vorgestellte Verfahren erlaubt die robuste Messung von Quellen und Senken der Treibhausgase, indem es die resultierenden kleinen Abweichungen der Treibhausgasmengen in der Atmosphäre detektiert.

EM 27/SUN

Weiterführende Informationen zum EM 27/SUN Fourierspektrometer finden Sie in folgender englischsprachiger Broschüre:

Broschüre EM 27/SUN (Bruker)

 

 

Klimagasen auf der Spur

Eine Seefahrt

Die portablen Spektrometer erlauben auch Messungen auf bewegten Plattformen, beispielsweise Schiffen. Im Frühjahr 2014 betrieben Forscher des KIT ein Spektrometer auf dem Eisbrecher Polarstern des Alfred-Wegener-Instituts auf der Überfahrt von Kapstadt nach Bremerhaven. Um die Schiffsbewegungen auszugleichen, wurde am KIT für diesen Einsatz ein besonders schneller Sonnenverfolger entwickelt.

Aus den Messungen konnten die KIT-Forscher die großräumige Verteilung von Kohlendioxid und Methan in Abhängigkeit von der geografischen Breite ermitteln. Da sich die Quellen dieser Gase vorwiegend in der Nordhemisphäre befinden, sind die Messwerte dort höher.

Der gewonnene Datensatz dient zur Überprüfung von Treibhausgasmessungen aus dem All und zur Bewertung globaler Modellsimulationen der Treibhausgasverteilung. Solche Simulationen zielen darauf ab, die Stärke und Variabilität von Quellen und Senken auf kontinentalen Skalen abzuschätzen.

 

 

Methan aus Fracking

Quelle: Denver Post 2013 nach Angaben der Colorado Oil and Gas Conservation Commission

„Fracking“ (Hydraulic Fracturing) ist ein in Europa kontrovers diskutiertes Verfahren. Durch Erzeugung von Gesteinsrissen ermöglicht es die Gewinnung von Öl und Gas aus unkonventionellen Lagerstätten.

Wissenschaftler vom KIT führten im Frühjahr 2015 in Kooperation mit dem National Center for Atmospheric Research und der University of Colorado Feldmessungen zum Nachweis der Methanemission aus Fracking durch. 

Im Modellversuch kann zusätzlich eine der beiden bereitliegenden Gaszellen in den Strahl gebracht werden. Die eine Zelle enthält Kohlendioxid (CO2), die andere Methan (CH4). Die Mengen der Gase sind so abgestimmt, dass sich in etwa dieselbe Abschwächung ergibt wie bei der atmosphärischen Beobachtung gegen die Sonne. Durch Einbringen der Zelle werden deshalb die in einer Sonnenmessung sichtbaren charakteristischen Signaturen von Kohlendioxid (bzw. Methan) erzeugt.

Hierzu wurden nordwestlich von Denver mehrere der mobilen Spektrometer im Abstand von etwa 70 km entlang der vorherrschenden Windrichtung angeordnet. In Abwind des überwachten Gebietes wurden deutliche Erhöhungen der Methanmengen festgestellt.

Die Treibhauswirkung von Methan ist etwa 25-fach stärker als die von Kohlendioxid: Daher ist die Umweltbilanz einer Verfahrensweise, die bei der Gewinnung von Öl oder Gas große Mengen von Methan in die Atmosphäre entlässt, besonders ungünstig.

Der Modellversuch

Da eine atmosphärische Messung direktes Sonnenlicht benötigt, veranschaulichen wir Ihnen das Messverfahren mithilfe eines wetterunabhängigen Modells: Als Quelle dient hierbei der heiße Glühfaden einer Lampe. Schon auf dem kurzen Weg zwischen der Lampe und dem Spektrometer bewirkt der in der Luft enthaltene Wasserdampf eine spürbare Abschwächung des Signals bei charakteristischen Wellenlängen. Diese Bereiche sind im Sonnenspektrum aufgrund des viel längeren atmosphärischen Pfades fast vollständig abgedunkelt.

Emissionen von Städten

Nach einer Erhebung der WHO lebten 1960 nur 34 % der Weltbevölkerung in Städten, 2014 waren es bereits 54 %. Städte erzeugen den größten Anteil anthropogener Kohlendioxidemissionen. Die Quantifizierung städtischer Emissionen ist daher von ausschlaggebender Bedeutung, auch zur Bewertung von Ansätzen, die auf die Entwicklung einer nachhaltig wirtschaftenden Stadt, der „Ecocity“, abzielen.

Der Einsatz mehrerer mobiler Spektrometer erlaubt die Beobachtung lokaler Quellen durch den Vergleich der gemessenen Spurengasmengen in Luv und Lee der Quelle. Wissenschaftler vom KIT haben dieses Verfahren im Sommer 2014 erstmals demonstriert, indem sie die Kohlendioxidemission Berlins detektierten.

Für die vom KIT in Kooperation mit Bruker Optik, Ettlingen, entwickelten Spektrometer konnte hierbei ein bisher unerreichtes Maß an Stabilität der instrumentellen Eigenschaften demonstriert werden. Im Mai 2015 wendete das KIT in Kooperation mit französischen Partnern dasselbe Verfahren erfolgreich für die Vermessung der Treibhausgasemissionen von Paris an.