Entwicklung eines miniaturisierten Intracavity-Spektrometers für den 14CH4 Nachweis im Feld

• Antragsteller: Professor Stefan Palzer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505112684

Das Ziel des Vorhabens ist die Erforschung eines neuen, miniaturisierten Gerätes zum isotopenselektiven Nachweis von Methan mit einer Nachweisgrenze von 10 ppq oder besser. Im Ergebnis soll der Nachweis erbracht werden, dass das vorgeschlagene Gerät in der Lage ist den Ursprung und das Alter von Treibhausgasen im Feld zu bestimmen. Damit ermöglicht MUIR eine neue Klasse von Untersuchungen in der Klimagrundlagenforschung, da erstmalig die nach 12CH4, 13CH4, 12CH3D und 14CH4 isotopenaufgelöste Untersuchung von Treibhausgaskonzentrationen ermöglicht wird. Da das Gerät robuster, deutlich kleiner und einfacher aufgebaut werden kann als gegenwärtige Lösungen, eignet es sich in besonderem Maße für die großflächige Überwachung von Treibhausgasquellen und -senken. In Kombination mit sogenannten Haubenmessungen können so großflächig neue Erkenntnisse über den Ursprung und das Alter von Treibhausgasen gewonnen werden. Aufgrund der in-situ Fähigkeit des MUIR-Gerätes wird die isotopenaufgelöse Analyse also räumliche und zeitliche Skalen überwachen können, die mit gegenwärtig verfügbaren Technologien nicht möglich sind. Um die niedrigen Nachweisgrenzen zu erreichen wird ein Aufbau der Intracavity Absorptionsspektroskopie (ICAS) verwendet, bei dem im aktiven Resonator genau zwei Moden anschwingen können. Dadurch wird es möglich die Signalauswertung gegenüber gegenwärtig genutzten Aufbauten deutlich zu vereinfachen und feldtauglich zu machen. Als aktives Medium kommt in MUIR ein He-Ne Gemisch zum Einsatz, dessen Laserübergang bei 3,39 μm nahezu mit dem ν_(3 ) (P7) Übergang von Methan überlappt. Mit Hilfe des Zeeman-Effektes wird der Laserüberübergang auf die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Methanisotope angepasst. Gasproben werden gefiltert und vorkonzentriert, bevor sie in die ICAS Analysekammer geleitet werden. Die isotopenaufgelöste Messung wird durch eine Reduzierung der Stoßverbreiterung ermöglicht, wofür der Druck in der Messkammer reduziert wird.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Großgeräte: MID-IR Wavemeter
• Gerätegruppe: 5790 Sonstige Laser und Zubehör (außer 570-578)