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Sensor-Nase erschnüffelt schlechte Luft

Die Luftqualität kann heute nur sehr aufwendig gemessen werden. Mit einer neuen Entwicklung aus Dresden soll das bald einfacher gehen.

Smog-Bilder aus Asien kennt man. Das ist aber Europa: ein Bild aus Frankreich. Denn auch in Europa herrscht dicke Luft.
Smog-Bilder aus Asien kennt man. Das ist aber Europa: ein Bild aus Frankreich. Denn auch in Europa herrscht dicke Luft. © PR/G. Mannaerts

Eine dunstige Glocke hängt über der Stadt. Es ist keine Nebelwand, die sich mit feuchter Luft erklären lässt. Es ist Smog. Er entsteht durch die Abgase von Autos, Fabriken oder Kohlekraftwerken und wird der Gesundheit der Menschen gefährlich. Vor allem aus großen asiatischen Ländern kennen viele solche Smog-Bilder. Doch auch in Europa ist die Luftqualität längst nicht überall gut. Ein internationales Projekt sucht nun nach Möglichkeiten, wie die Luftqualität besser überwacht werden kann. Schneller und an viel mehr Messstellen als heute. Mit dabei ist auch das Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR). Die Forscher wollen modernste Sensoren nach den Schadstoffen schnüffeln lassen.

Die Zahlen lassen aufhorchen. Nach einem 2020 veröffentlichten Bericht der Europäischen Umweltagentur verursachte die Feinstaubbelastung im Jahr 2018 rund 417.000 vorzeitige Todesfälle in 41 europäischen Ländern. 54.000 und 19.000 vorzeitige Todesfälle sind auf Stickstoffdioxid und bodennahes Ozon zurückzuführen. Sechs europäische Staaten überschritten im Jahr 2018 den EU-Grenzwert für Feinstaub: Bulgarien, Italien, Kroatien, Polen, Rumänien und die Tschechische Republik.

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In Deutschland ist die Entwicklung bei Feinstaub und Stickstoffdioxid laut Informationen des Umweltbundesamtes zwar rückläufig, doch geltende Grenzwerte und Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisationen werden auch hierzulande immer wieder überschritten. Die genaue Messung der Luftverschmutzung stellt die Forschung aber immer noch vor große Herausforderungen.

Flugzeuge und Schiffe sollen Technik transportieren

Obwohl die negativen Auswirkungen bestimmter Luftschadstoffe, sogenannter freier Radikale, auf die Gesundheit schon lange bekannt sind, ist ihr Nachweis und ihre Messung nach wie vor technisch sehr aufwendig. Diese freien Radikale sind reaktive Verbindungen, die chemische Vorgänge in der Atmosphäre vorantreiben und dadurch den Klimawandel, die Bildung von saurem Regen oder die Entstehung von Smog beeinflussen. „Also allesamt schädliche Prozesse für die menschliche Gesundheit und die Umwelt“, erklärt Justin Holmes vom irischen University College Cork, der das Projekt leitet. Die Gesundheit wird dabei sowohl in Innenräumen als auch im Freien beeinträchtigt.

Das neue Forschungsprojekt, das jetzt 3,2 Millionen Euro aus dem europäischen Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizont 2020“ erhielt, sucht nun eine kostengünstige Methode zur Messung von bestimmten Luftschadstoffen. Ziel des Teams aus Industrie und Wissenschaft sind elektrische Sensoren zur Erkennung schädlicher Partikel in der Atmosphäre.

Neben den Forschern aus Irland und Dresden sind auch Wissenschaftler aus York und Athen beteiligt. Gemeinsam wollen sie High-Tech-Instrumente entwickeln, die die schädlichen atmosphärischen Radikale messen können. Die Technologie soll anschließend in Flugzeugen, Schiffen und anderen Plattformen zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt werden.

Polen überschreitet immer wieder die Grenzwerte für Feinstaub. Auch Warschau ist deshalb immer wieder von Smog betroffen.
Polen überschreitet immer wieder die Grenzwerte für Feinstaub. Auch Warschau ist deshalb immer wieder von Smog betroffen. © picture alliance

Elektronische Nasen erschnüffeln Schadstoffe

„Bisher gibt es nur eine kleine Anzahl von Forschungsgruppen, die in der Lage sind, solche Tests an wenigen Orten rund um den Globus durchzuführen“, erklärt Yordan Georgiev vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR die Motivation hinter dem Projekt, das die Koordinatoren „Radical“ getauft haben. Dabei kämen komplexe Messmethoden unter Verwendung großer, teurer und umständlich zu bedienender Geräte zum Einsatz.

„Das schränkt unser Wissen über die chemischen Prozesse in der Atmosphäre und damit unsere Fähigkeit, Luftqualität und Klimaveränderungen zu kontrollieren, erheblich ein.“ Die Idee deshalb: Eine einfache Messvariante, die simpel auch an den schon existierenden Messstationen eingesetzt werden kann.

Möglich wird das durch eine neue Methode zum Nachweis schädlicher Radikale. Dafür kommen hochsensible Sensoren zum Einsatz, die – wie eine Art elektronische Nase – die freien Radikale erkennen können. Gebaut werden diese Sensoren am HZDR. Sie basieren auf Silizium-Nanodrähten und können so die Luftschadstoffe in der Atmosphäre entdecken. Diese Drähte sind gewissermaßen die Rezeptoren der modernen Variante einer Nase.

Weltweiter Einsatz geplant

Der Sensormechanismus fußt auf der Wechselwirkung elektrisch geladener Partikel des Zielmoleküls eines Luftschadstoffs mit der Nanodrahtoberfläche. Die geladenen Moleküle verändern die elektrische Leitfähigkeit des Drahtes. Auf diese Weise werden die Wechselwirkungen der Moleküle mit dem Nanodraht direkt in leicht nachweisbare elektrische Signale umgewandelt. Die freien Radikale werden erkannt. Die Sensoren sind extrem empfindlich. Was sie erkennen sollen, können die Wissenschaftler über die Oberflächenfunktionalisierung des Nanodrahtes sicherstellen. Dafür verankern sie eine Schicht von Molekülen auf der Nanodraht-Oberfläche, die ausschließlich die Zielmoleküle bindet.

Alle Projektpartner hoffen, dass die Sensoren schon bald überall zum Einsatz kommen. „Wir wollen eine Technologie kreieren, die relativ einfach verwirklicht und weltweit eingesetzt werden kann“, fasst Georgiev das Ziel zusammen. Dafür ist auch die Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen im Projekt wichtig. Sie sollen die Sensoren nach der Entwicklung zum massenmarkttauglichen Produkt machen, damit sie in großen Stückzahlen zur Verfügung stehen. „Sie könnten letztlich flächendeckend Echtzeitdaten über die Verteilung und Übertragung von freien Radikalen in der Atmosphäre liefern.“

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John Wenger, Direktor des Forschungszentrums für Atmosphärenchemie am University College Cork und Partner des Projekts, ist überzeugt, dass diese Technologie weit über den aktuellen Stand der Technik hinausgeht und an allen Luftqualitäts- und Wetterstationen der Welt eingesetzt werden könnte. „Das würde die Überwachung und Kontrolle der Luftqualität erheblich verbessern und genauere Klimavorhersagen sowie eine bessere Lebensqualität für die Menschen ermöglichen.“ Zu wissen, wo die Luft aktuell gut oder schlecht ist – das wäre dann kein Problem mehr.

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