Fliegende Analytik – Drohnentaugliches Ionenmobilitätsspektrometer mit zuschaltbarem Gaschromatograph zur schnellen Bewertung chemischer Gefahrenlagen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540972827

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit baukleiner Kameradrohnen besteht in vielen Bereichen ein stark wachsendes Interesse zusätzlich zur Bildgebung weitere Messtechnik auf solchen fliegenden Plattformen zu installieren. Insbesondere in der Sicherheitstechnik und Umweltmesstechnik ist die Fernerkundung per Drohne (UAV) hochinteressant, um ein größeres Gebiet schnell und sicher untersuchen zu können, ohne die Einsatzkräfte zu gefährden. Dieses Vorhaben konzentriert sich daher auf die Entwicklung eines drohnentauglichen Ionenmobilitätsspektrometers (IMS) mit einer über einfache Gassensoren und Gassensorarrays deutlich hinausgehenden analytischen Leistungsfähigkeit zur schnellen und fundierten Bewertung komplexer chemischer Gefahrenlagen. Aufgrund der besonderen Randbedingungen, wie begrenzte Baugröße, Gewicht und Leistungsaufnahme, lassen sich kommerzielle und aus Vorarbeiten bestehende IMS mit einer ausreichenden analytischen Leistungsfähigkeit nicht einfach an Drohnen koppeln. Hierfür sind ganz neue Systemkonzepte und ein ganzheitlicher Systementwurf unter Berücksichtigung aller Randbedingungen und analytischen Leistungsparameter nötig. Konkret zielt dieses Vorhaben auf die Entwicklung einer Entwurfsstrategie inklusive der hardwaretechnischen Umsetzung und Evaluierung im Flugbetrieb eines drohnentauglichen, dualen IMS mit nicht-radioaktiver Ionisationsquelle, Gewicht <= 1000 g, Leistungsaufnahme <= 10 W, hohem Auflösungsvermögen R >= 60, Nachweisgrenzen im zweistelligen ppt-Bereich bei Messzeiten <= 1 s, integrierter Heizung bis zu 80 °C für kurzer Ansprechzeiten und Abtastrate von mindestens 1 Hz für eine örtliche Auflösung von mindestens 10 m bei hoher Fluggeschwindigkeit von 10 m/s. Eine besondere Herausforderung ist die Entkopplung von Drohne und Messsignal durch eine an die Störungen angepasste Systemauslegung. Konkret soll das Frequenzspektrum des Nutzsignals per Design aus dem Frequenzspektrum des durch die Drohne verursachten Störsignals herausgeschoben werden. Ein weiteres Ziel ist die Bestimmung der Messunsicherheit nach GUM bezüglich der Stoffkonzentration. Vor allem bei Stoffgemischen und variabler Luftfeuchtigkeit, wie in den meisten realen Anwendungsszenarien gegeben, entsprechen die gemessenen Stoffkonzentrationen meist nicht den tatsächlichen Stoffkonzentrationen, da die Anzahl ionisierter Moleküle eines Stoffes und damit die Fläche eines Peaks im Ionenmobilitätsspektrum nicht nur von der Stoffkonzentration abhängt, sondern maßgeblich durch das thermodynamische Gleichgewicht der chemischen Ionisationsreaktionen in der Gasphase bestimmt wird. Für die quantitative Analyse realer Luftproben soll daher auch ein drohnentauglicher Gaschromatograph (GC) entwickelt und das GC-IMS hinsichtlich der Messunsicherheit nach GUM untersucht werden. Die schnelle Fernerkundung eines größeren Gebietes erfolgt dann per UAV-IMS, während für quantitative Untersuchungen sensibler Bereiche per UAV-GC-IMS der GC bedarfsweise remote zugeschaltet werden kann.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2433: Messtechnik auf fliegenden Plattformen