Kostengünstige Sensoren zum besseren Nachweis von freien Radikalen in der Atmosphäre
Überall auf der Welt werden ständig große Mengen an Schadstoffen wie Stickstoffdioxid, Methan, Ammoniak und flüchtige organische Verbindungen in die Atmosphäre freigesetzt, die sich auf den Klimawandel und die menschliche Gesundheit auswirken. Radikale übernehmen eine entscheidende Rolle bei der Reinigung der Atmosphäre von diesen Schadstoffen. Die chemischen Prozesse sind jedoch komplex und kaum verstanden. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts RADICAL(öffnet in neuem Fenster) wurde ein kleiner, kostengünstiger Sensor zur Messung von Radikalen entwickelt, der das Gebiet der Atmosphärenforschung verändern und eine Reihe von Optionen für eine bessere Luftqualitätsüberwachung bieten könnte.
Analyse der atmosphärischen Chemie
Die Atmosphäre besitzt die bemerkenswerte Fähigkeit, sich selbst zu reinigen. Der Hauptakteur bei diesem Vorgang ist das Hydroxyl-Radikal (OH-Radikal), das die Luftchemie dominiert und als „Waschmittel der Atmosphäre“ bezeichnet wird. Hydroxyl-Radikale reagieren mit Schadstoffen und zerlegen sie in weniger schädliche Nebenprodukte. Obwohl dieses Verfahren für sauberere Luft sorgt, sind nicht alle dieser chemischen Produkte unschädlich. Zudem können sekundäre Schadstoffe wie Ozon und Schwefelsäure – ein Hauptbestandteil des sauren Regens – entstehen. Atmosphärische Hydroxyl-Radikale sind spärlich vorhanden – weniger als ein Teil pro Billion – und extrem reaktiv. Oft dauert es nicht länger als eine Sekunde, bevor sie sich mit anderen Molekülen verbinden. Diese Eigenschaften erschweren die Untersuchung von Radikalen. Derzeit gibt es weltweit nur wenige Labors mit entsprechenden Forschungseinrichtungen. Eines davon ist die atmosphärische Simulationskammer-Einrichtung „Irish Atmospheric Simulation Chamber“(öffnet in neuem Fenster), in der die Projektstudien durchgeführt wurden.
Silizium-Nanodrähte übertragen elektrische Signale
Die Lösung von RADICAL ist ein elektronischer Sensor, der mit verschiedenen organischen Schichten abgestimmt wurde. Chemische Reaktionen verursachen eine elektrische Reaktion auf dem Silizium-Nanodraht, wodurch der Sensor das Vorhandensein von OH-Radikalen und anderen Schadstoffen erkennen kann. Bislang wurde das Gerät für Stickstoffdioxid, Ammoniak und Ozon validiert. „Der RADICAL-Sensor funktioniert nach dem Prinzip einer „e-nose“ („E-Nase“), die ähnlich wie die menschliche Nase Gerüche wahrnimmt. Die Gase interagieren mit dem elektrischen System des Sensors und erzeugen Signale, die entschlüsselt werden können, auf ähnliche Weise wie unser Gehirn Gerüche identifiziert“, erklärt Projektkoordinator Justin Holmes.
Vorteile einer besseren Erkennung von Radikalen
Da es nur wenige Möglichkeiten gibt, die komplexe Chemie der Atmosphäre zu untersuchen, ist noch unklar, welche Rolle Radikale bei der Veränderung der Luftqualität spielen. Das Versprechen von RADICAL, eine kostengünstige, mobile und abstimmbare Lösung zu bieten, wird sowohl die Atmosphärenforschung als auch die Luftqualitätsüberwachung transformieren. „Unser RADICAL-Sensor besitzt das Potenzial, einen echten Wandel herbeizuführen, indem er eine viel breitere Palette von Labor- und Feldstudien ermöglicht, um unser Wissen in diesem wichtigen Bereich der Atmosphärenforschung zu erweitern“, sagt John Wenger, Leiter des Projekts RADICAL. Der Sensor kann in einer Reihe spezifischer, empfindlicher Umgebungen eingesetzt werden, wie etwa in Krankenhäusern, Industrieanlagen und an abgelegenen Orten. Dank seines kleinen Formats kann er als tragbares Gerät genutzt werden und damit die Sicherheit von Menschen, die unter gefährlichen Bedingungen arbeiten, erhöhen. Der Sensor von RADICAL wird unser Verständnis der Atmosphäre verändern – von den chemischen Vorgängen, die sich zehn Kilometer über unseren Köpfen abspielen, bis hin zur Qualität der Luft, die wir mit jedem Atemzug einatmen. Das Projektteam setzt sich aus Partnern aus den Ländern Bulgarien, Deutschland, Griechenland, Irland und dem Vereinigten Königreich zusammen und konzentriert sich darauf, die Haltbarkeit des Sensors zu verbessern. Außerdem wird es weitere Feldtests abschließen und Geschäftspartnerschaften bilden, damit diese spannende Technologie auf den Markt gebracht werden kann.