Freiburger Forscher haben einen hochempfindlichen miniaturisierten Ozonsensor entwickelt, der nicht nur beim mobilen Einsatz in Atemluft, sondern auch in Wasser und im Umfeld explosiver Gase eingesetzt werden kann.

Bessere chemische Sensoren, die auch bezahlbar sind, wollte das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg entwickeln.
Ein besonders wichtiger Anwendungsbereich ist die regelmässige Messung des Ozongehalts zum Beispiel in der Atemluft. Denn das stark oxidierend wirkende Gas kann beim Menschen Symptome wie Tränenfluss, Schleimhautreizungen in Rachen, Hals und Bronchien, Kopfschmerzen, Hustenreiz oder auch eine Verschlechterung der Lungenfunktion verursachen. Quelle der Belastung sind Industrie- und Verkehrsemissionen, die bei wärmerem Wetter in Verbindung mit intensiver UV-Strahlung bodennahes Ozon bilden. Auch Laserdrucker und Kopiergeräte in Büroumgebungen können eine Quelle für diese Belastung sein. Die Europäische Kommission will deshalb den Richtwert für Ozon in der Luft von derzeit 120 auf 60 parts per billion bis zum Jahr 2010 senken. Die Umsetzung dieser neuen Bestimmung wird zu einer starken Nachfrage nach kostengünstigen Ozon-Sensoren führen.

»Andererseits hat Ozon ein hohes Anwendungspotenzial, dafür braucht man sensible Sensoren «, erklärt Dr. Volker Cimalla, Projektleiter am IAF. Bei der Wasseraufbereitung in Kläranlagen, Kühlwasserkreisen und Schwimmbädern dient Ozon zur umweltfreundlichen Oxidation von Eisen, Mangan, organischen Substanzen einschliesslich schlecht abbaubarer Verunreinigungen wie Medikamentenrückständen und zur Entkeimung. Auch in der Produktion wird bei den meisten »chlorfrei « benannten Produkten oder Verfahren Ozon eingesetzt, so zum Beispiel beim Bleichen von Papier. Weitere Einsatzgebiete sind die Desinfektion in der Lebensmittelindustrie und die Unterdrückung von Geruchsbelästigungen in der Fahrzeugindustrie und in Kühlhäusern. Wegen seiner Instabilität kann Ozon aber nicht über längere Zeit gelagert oder wie andere industriell verwendete Gase in Druckflaschen gekauft werden und muss an Ort und Stelle erzeugt werden. In allen diesen Fällen muss die Ozonkonzentration überwacht werden, einerseits, um die für die Anwendung notwendige Konzentration zu halten, andererseits, um die für Menschen schädlichen Maximalwerte nicht zu überschreiten.

»Die für solche Zwecke auf dem Markt verfügbaren Ozonsensoren arbeiten nach sehr aufwändigen Messverfahren wie etwa UV-Absorption oder Massenspektrometrie und sind teuer. Preisgünstigere Sensoren zur Ozonmessung hingegen arbeiten entweder nur ungenau oder in eingeschränkten Einsatzbereichen «, stellt Projektleiter Cimalla fest.

Der neue Sensor soll nicht wie herkömmliche Sensoren auf Temperaturen von fast 300 Grad Celsius aufgeheizt werden müssen, um die Messoberfläche für neue Messungen zu regenerieren. Denn dadurch sind sie relativ teuer, benötigen viel Energie und können nicht überall verwendet werden. »Wir ersetzten das Heizen durch eine Bestrahlung mit blauem/violetten Licht, um den für die Regeneration nötigen chemischen Prozess auf der Sensoroberfläche auszulösen, der Betrieb ist dann bei Raumtemperatur möglich «, erläutert Cimalla. Dazu kombinierte er bekanntes Wissen: Die an der Oberfläche einer Sensorschicht absorbierten Moleküle verändern den elektrischen Widerstand und können durch Licht auch wieder abgelöst werden. Entstanden ist ein hochempfindlicher, miniaturisierter Sensor, der niedrige Werte bei der Umwelt- und Raumluftüberwachung genauso misst wie hohe in der Prozesskontrolle.

Nicht nur die Sensorik gesundheitsschädlicher Gase in der Atemluft, auch der Einsatz in explosiven Gasen oder im Wasser, die Sterilisation mit Hilfe von Ozon, die Überwachung der Atemluft von Patienten oder der Schutz vor Giftgasen durch tragbare Warnsysteme werden möglich. Dass man einen solchen Sensor sehr klein bauen kann, ein Zehntel oder noch weniger so gross wie die bislang gebräuchlichen, ist ein weiterer Vorteil, weil sie sich zum Beispiel in Handys oder Smartphones einbauen lassen.

Da trotz des dringenden Bedarfs an solchen Sensoren nur kleine Stückzahlen für die jeweiligen Einsatzbereiche benötigt werden, arbeiten Cimalla und sein Projektteam am Design der Lösung weiter: »Wir entwickeln einen Basissensor, den wir mittels implementierter Software an die verschiedenen Anwendungsbereiche anpassen können, und kommen dadurch zu wirtschaftlichen Stückzahlen. «

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft