Verstärkte Raman-spektroskopische Multigas-Sensorik auf fliegenden Plattformen für die Erstellung von 3D-Konzentrationsprofilen

• Antragsteller: Professor Dr. Torsten Frosch
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541022478

Gasmessungen auf Drohnen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Im Gegensatz zu Messsystemen am Boden, auf Türmen, Flugzeugen oder Satelliten ermöglichen es Drohnen, die Luft in der Umgebung von Gebäuden oder Ökosystem flexibel zu überwachen. Unabhängig von weiterer Infrastruktur können so Gaskonzentrationen mit hoher Auflösung kartiert werden. Allerdings ist es mit der aktuellen, für den Einsatz auf Drohnen geeigneten Sensortechnik nicht möglich, komplexe Multigase zu messen. Folglich werden bisher nur einzelne ausgewählte Gase aufgespürt bzw. quantifiziert. Diese messtechnische Lücke wollen wir schließen, indem wir ein miniaturisiertes Messsystem auf Basis der verstärkten Raman-Gas-Spektroskopie (RGS) entwickeln und auf einer Drohne zum Einsatz bringen. Beim Einsatz auf einer Drohne hätte die verstärkte RGS den Vorteil, dass sie ohne a-priori-Wissen explorativ eingesetzt werden kann und alle Gase (außer Edelgase) und volatile organische Substanzen (VOCs) gleichzeitig detektiert und quantifiziert. Ein einziger Flug könnte somit ein umfassendes 3D-Konzentrationsprofil der Umgebung eines Gebäudes, einer Industrieanlage oder eines kleinen Ökosystems liefern. Insbesondere ist die RGS auch für Wasserstoff sensitiv, was sowohl für die Überwachung der Gasinfrastruktur (Power-to-Gas) als auch die Erforschung der Emissionen von tauenden Permafrostböden interessant ist. Damit wir das Ziel der RGS auf Drohnen erreichen, müssen wir zwei Herausforderungen bewältigen: (1) Wir müssen den Raman-Gas-Analysator (RGA) hochminiaturisieren, um die Anforderungen an Platz, Gewicht und Energiebedarf auf einer Drohne zu erfüllen. (2) Auch im miniaturisierten RGA muss ein ausgeklügelter Verstärkungsmechanismus angewendet werden, um trotz der schwachen Raman-Signale von Gasen sensitive Messungen zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wollen wir auf Basis unserer Expertise in der Faser-verstärkten RGS ein komplett miniaturisiertes, hochempfindliches Messinstrument für den Einsatz auf einer Drohne aufbauen. Unsere Ziele sind: 1) Entwicklung eines miniaturisierten RGA inklusive einer Einheit zur Signalverstärkung, 2) Entwicklung von Methoden zur Korrektur von Störungen durch Umwelt- und Drohneneinflüsse sowie energieeffiziente Lösungen der Datenprozessierung, 3) Integration des miniaturisierten RGA auf einer Drohne, 4) Messungen im Freifeld: explorative Messungen der Luft in der nächsten Umgebung von Ökosystem und Anlagen. Damit wir diese Ziele erreichen, werden wir die Faser-verstärkte RGS mit neuen Ansätzen der Miniaturisierung von Raman-spektroskopischen Instrumenten zusammenführen (AP1 und AP2). Außerdem werden wir die Güte der quantitativen Messungen mit Messunsicherheiten charakterisieren und uns mit der Datenverarbeitung und Kommunikation beschäftigen (AP3 und AP4). Der miniaturisierte und ausführlich charakterisierte RGA wird anschließend auf einer Drohne integriert und getestet (AP5) und schließlich in Freifeldmessungen zum Einsatz gebracht (AP6).

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