Gassensoren: Raumluft-Gifte im ppb-Bereich aufspüren

Wenn Menschen an ihrem Arbeitsplatz hohe Produktivität entwickeln sollen, dann ist die erste Voraussetzung eine saubere Atemluft. Auch wenn man es nicht direkt riecht, geistern jedoch häufig krank machende Schadstoffe in der Luft herum. Neue Sensoren weisen diese jetzt bis in den ppb-Bereich nach.

Die Erscheinung ist so häufig, dass schon ein Fachbegriff dafür aufgekommen ist: „Sick Building Syndrome“. In manchen Gebäuden fühlt man sich nach kürzerem oder längerem Aufenthalt unwohl, es liegt irgendetwas Drückendes in der Luft, das schwer mit Worten zu beschreiben ist. Schnell sinkt die Arbeitslust, auf die Dauer wird man krank. Wie Analysen gezeigt haben, ist die Luft dann häufig mit einer Vielzahl chemischer Substanzen verunreinigt, die hier eigentlich nichts verloren haben. Oft sind es nur winzige Spuren, nicht bewusst wahrnehmbar, dennoch wirksam. Überwiegend handelt es sich dabei um flüchtige organisch-chemische Verbindungen, von denen viele gesundheitsschädlich sind; sie laufen unter der Sammelbezeichnung VOC (volatile organic compounds). Die drei wichtigsten darunter sind Benzol (C6H6), Naphthalin (C10H8) und Formaldehyd (CH2O), verursacht zum Beispiel durch Zigarettenrauch, Teppichböden, Möbel-Lacke, Kunststoffe, Klebstoffe oder Insektengifte. Schon bei Konzentrationen im ppb-Bereich beginnt ihre krank machende Wirkung.

Die nächstliegende Abhilfemaßnahme – häufiges Lüften – ist im Sommer kein Problem, im Winter aber wegen des ständigen Wärmeverlusts kostspielig. Eine wirtschaftlichere Lösung: Die Konzentrationen der giftigen Stoffe permanent messen und erst dann automatisch die Lüftung einschalten, wenn sie einen bestimmten Grenzwert überschreiten. Noch besser ist es, die Quellen zu lokalisieren und zu versuchen, ihre Entstehung von vornherein zu unterbinden, beispielsweise durch den Austausch des Teppichbodens. Dazu braucht man geeignete Messmethoden. Gassensoren gibt es heute im Prinzip in Hülle und Fülle. Typen für so niedrige Konzentrationen sind aber nach wie vor dünn gesät, technologisch sehr aufwändig und entsprechend teuer. Was gebraucht wird, sind hochempfindliche, aber dennoch kostengünstig in Großstückzahlen herstellbare Sensoren mit niedriger Leistungsaufnahme, die sich für die Massenanwendung eignen. Diese könnten dann ein kommerzieller Erfolg werden.

Die Aussicht auf einen riesigen Markt hat an vielen Stellen intensive Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten angeregt. Besonders effizient läuft so etwas erfahrungsgemäß in Kooperationen von Partnern aus Forschung und Industrie, die sich in ihren Fähigkeiten gegenseitig ergänzen. Im Verbundprojekt „SENSIndoor“ (www.sensindoor.eu) sind deshalb drei Hochschul-Lehrstühle, ein Forschungsinstitut sowie sechs kleine und mittlere Unternehmen aus Deutschland, Schweden, Finnland, Frankreich und der Schweiz vertreten. Die Koordination liegt bei Prof. Dr. Andreas Schütze (Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik).

Zwei Grundtypen von Gassensoren haben sich als geeignet gezeigt: zum einen Gassensoren auf Basis von Metalloxiden (etwa mit Zinn, Zink oder Wolfram), bei denen sich die Leitfähigkeit eines aufgeheizten Sensorelements bei Anwesenheit bestimmter Gase verändert; zum anderen Feldeffekt-Transistoren, hier speziell Siliziumkarbid-FETs, bei denen sich bei Gas-Adsorption das Gate-Potenzial verschiebt und sich dadurch der Drain-Strom ändert.

Zur Steigerung der Empfindlichkeit setzt man einen Vorkonzentrator ein: ein spezielles schaumartiges Material aus Metallen und organisch-chemischen Verbindungen (metal organic framework, MOF), das stark porös ist und ähnlich wie Aktivkohle eine sehr große innere Oberfläche von zum Teil mehr als 1000 m²/g aufweist. Es adsorbiert bei niedriger Temperatur über eine gewisse Zeit hinweg große Mengen von Gas, darunter das Zielgas, und gibt es bei Erhöhung der Temperatur beschleunigt wieder ab. Schon nach einigen Sekunden ist ein bis zu 30-facher Konzentrationseffekt erreichbar.

Die Prototypen der Sensoren erfassen die Konzentrationen der drei besagten Sub­stanzen bis unterhalb von 1 ppb, also ein Molekül unter 1 Milliarde anderer Moleküle. Das dabei zunächst noch auftretende Problem ist eine zu geringe Selektivität, das heißt eine zu geringe Unterscheidbarkeit der verschiedenen Molekülarten. Eine erfolgreiche Lösung besteht darin, die Betriebstemperatur der Sensoren zu variieren, zum Beispiel zwischen 200 °C und 250 °C. Die Empfindlichkeit für die Erfassung der besagten Substanzen ist temperaturabhängig, und zwar für jede der Substanzen in anderer Weise. Indem man bei mehreren verschiedenen Temperaturen misst und die Ergebnisse nach dem Prinzip der Musteranalyse miteinander verrechnet, kann man die Einzelkonzentrationen erhalten. Dazu ist dann lediglich eine passende Software erforderlich.

Die weiteren Arbeiten verfolgen jetzt verschiedene Ziele parallel: die Optimierung des Sensorelements und des Vorkonzentrators sowie der zugehörigen Beheizungen, die Suche nach geeigneten Herstellungsmethoden für alle Teile (gepulste Laser-Deposition und Nanostrukturierung für die Sensorschicht), die Integration in ein geeignetes Gehäuse, die Optimierung der Betriebsweise und der Auswerte-Software und letztlich die Integration in die Lüftungssteuerung eines Gebäudes. Projektbeginn war im Januar 2014, die Laufzeit ist drei Jahre. Das Projektvolumen beträgt 4,6 Millionen Euro, gefördert von BMBF und EU. Das Ziel: bessere Luft, gesündere Menschen und gleichzeitig Energieeinsparung.