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Materialwissenschaftler erforschen Sensor, der giftiges Gas in Biogasanlagen in kleinsten Mengen nachweist

27. September 2013

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Martina Nolte
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Wenn Holz, Energiepflanzen und organische Abfälle durch Mikroorganismen vergären, entsteht Methan. In Biogasanlagen hergestellt, kann es im Zuge der Energiewende ins Erdgasnetz eingespeist werden, wenn es frei von Verunreinigungen ist. So dürfen Wasserstoff oder hochgiftiger Schwefelwasserstoff nur in sehr geringen Anteilen darin enthalten sein, um die Verbraucher vor Gesundheits- oder Explosionsgefahren zu schützen. Nun entwickelt das INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien zusammen mit mittelständischen Unternehmen einen Sensor mit besonderen Eigenschaften, der Schwefelwasserstoff verlässlich in niedrigsten Konzentrationen über einen optischen Weg anzeigt.

Für den neuen Sensor wollen die Entwickler am INM eine Funktionsschicht aufbauen, die für den Nachweis von Schwefelwasserstoff (H2S) keinen Sauerstoff benötigt, denn dieser ist in Biogasanlagen nicht vorhanden. Außerdem soll die Schicht ermöglichen, dass der Sensor jederzeit auf Mengen von wenigen Hundertstel Prozent Schwefelwasserstoff reagieren kann und innerhalb kürzester Zeit ausschließlich auf Schwefelwasserstoff anspricht.

Dazu werden die Forscher am INM eine spezielle Funktionsschicht anfertigen, die beim Vorhandensein von Schwefelwasserstoff ihre Eigenschaften ändert. Sie wechselt zum Beispiel ihre Farbe, Farbdurchlässigkeit oder die Art der Lichtstreuung oder Reflexion. „Wir wollen dafür optische Analyseverfahren nutzen, die zurzeit noch nicht auf dem Markt erhältlich sind“, sagt Peter William de Oliveira, Leiter des Programmbereichs Optische Materialien, „sie werden Kernpunkt unserer Neuentwicklungen sein.“ Die Wissenschaftler erwarten, dass selbst bei wenigen Promille Schwefelwasserstoff im Gas eine entsprechende Antwort des Sensors auftritt. „Diese Änderungen können wir mit einem passenden Empfänger dann gut in ein Signal „zu viel Schwefelwasserstoff“ umwandeln“, fasst der Materialwissenschaftler zusammen.

Zwar gibt es am Markt derzeit verschiedene Anbieter für solche Sensoren. Sie sind jedoch aus unterschiedlichen Gründen für den Einsatz in Biogasanlagen nicht geeignet: „Viele dieser Sensoren funktionieren über chemische Reaktionen, bei denen Sauerstoff benötigt wird“, erklärt der Chemiker. Andere Sensoren arbeiteten über elektrochemische Methoden oder über Chemolumineszenz. Sie seien entweder zu kostspielig, zu langsam oder zeigten nicht nur Schwefelwasserstoff sondern auch andere Gase an, sodass die Menge von H2S nicht eindeutig ausgewiesen werden kann.

Während das INM bei der Entwicklung der besonderen Schicht Feder führt, erarbeiten die beteiligten Mittelstandsunternehmen die dazugehörige Elektronik sowie die Technik für den Aufbau des gesamten Sensorsystems.

Hintergrund:

Gemeinsam mit den Mittelstandsunternehmen Materion GmbH, Wismar, und Sensolute GmbH, Eggenstein-Leopoldshafen, arbeitet das INM an der Entwicklung „neuartiger Sensorsyteme auf der Basis optisch schaltender Dünnfilme für die Überwachung regenerativ erzeugter Gase“. Das Projekt „OptoSens“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM) gefördert. Gemeinsam wollen die Projektpartner Ende 2015 einen Sensor für die Produktion im Großmaßstab entwickelt haben. Das Fördervolumen für das INM beträgt 175.000 Euro.

Das INM erforscht und entwickelt Materialien – für heute, morgen und übermorgen. Chemiker, Physiker, Biologen, Material- und Ingenieurwissenschaftler prägen die Arbeit am INM. Vom Molekül bis zur Pilotfertigung richten die Forscher ihren Blick auf drei wesentliche Fragen: Welche Materialeigenschaften sind neu, wie untersucht man sie und wie kann man sie zukünftig für industrielle und lebensnahe Anwendungen nutzen?

Dabei bestimmen vier Leitthemen die aktuellen Entwicklungen am INM: Neue Materialien für Energieanwendungen, Neue Konzepte für Implantatoberflächen, Neue Oberflächen für tribologische Anwendungen sowie Nanosicherheit. Die Forschung am INM gliedert sich in die drei Felder Chemische Nanotechnologie, Grenzflächenmaterialien und Materialien in der Biologie. Das INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien mit Sitz in Saarbrücken ist ein internationales Zentrum für Materialforschung. Es kooperiert wissenschaftlich mit nationalen und internationalen Instituten und entwickelt für Unternehmen in aller Welt. Das INM ist ein Institut der Leibniz-Gemeinschaft und beschäftigt rund 190 Mitarbeiter.

Quelle:
Dr. Peter William de Oliveira

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