Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Projekt ist Teil des Verbundvorhabens High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung.
\nIn der Bundesrepublik Deutschland werden j\u00e4hrlich ca. 100 ha Land f\u00fcr Siedlung und Verkehr verbraucht, die H\u00e4lfte dieser Fl\u00e4che wird dabei versiegelt. In den letzten 50 Jahren hat sich die Siedlungs- und Verkehrsfl\u00e4che in den alten Bundesl\u00e4ndern nahezu verdoppelt. W\u00e4hrend einerseits neue Gewerbe- und Wohngebiete auf der gr\u00fcnen Wiese entstehen, w\u00e4chst der Anteil an Brachfl\u00e4chen. Ein L\u00f6sungskonzept zur Verminderung des Fl\u00e4chenverbrauchs ist die konsequente Umsetzung eines Fl\u00e4chenrecyclings, also der Wiedernutzung von industriellen, gewerblichen oder milit\u00e4rischen Brachfl\u00e4chen, vor allem im urbanen Bereich. Dies sind in aller Regel altlastverd\u00e4chtige Fl\u00e4chen. Um eine z\u00fcgige und belastbare Erkundung dieser Fl\u00e4chen zu gew\u00e4hrleisten, k\u00f6nnen Analyseverfahren, die vor Ort eingesetzt werden, wichtige Vorteile bringen. Aus diesem Grund hat die DBU das Verbundvorhaben High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung gef\u00f6rdert. Ziel des Verbundes war es, konventionelle, handgehaltene bis mittelschwere Sondiersysteme mit kosteng\u00fcnstigen und modernen Sensoren auszur\u00fcsten. Damit sollen bereits bei den Erkundungsarbeiten analytische Signale erzeugt und ausgewertet werden k\u00f6nnen. Das Verbundvorhaben wurde in 14 eigenst\u00e4ndige Vorhaben untergliedert, die organisatorisch klar voneinander abgegrenzt waren und eigene Vorhabensziele beinhalten: AZ 19219, 19220, 19221, 19225, 19229, 19230, 19232, 19233, 19234, 19235, 19281, 21918.
\nZiel der Arbeiten von IPM ist es, zum Ende des Einzelvorhabens Miniaturisierung eines Breitbandspektrometers f\u00fcr den Einsatz in einer Rammsonde zur Detektion von Sickerw\u00e4ssern ein einfaches, leicht zu bedienendes Messsystem zur Erfassung der Konzentration von chlorierten Kohlenwasserstoffen in Sickerw\u00e4ssern zur Verf\u00fcgung zu stellen. Das bisher entwickelte Messsystem kann in Bohrl\u00f6-cher ab 4 Zoll Durchmesser versenkt werden um in situ die Verunreinigung des Wassers zu detektieren. Die Aufbereitung der Messdaten wird durch eine geeignete Software \u00fcber einen Laptop vorgenommen und dargestellt. Zur Sondierung von kontaminierten B\u00f6den mit einer Rammsonde muss das vorhandene Messsystem weiter miniaturisiert werden und Ma\u00dfnahmen zur mechanischen Festigkeit und Stabilit\u00e4t getroffen werden. Somit ergibt sich als erstes Teilziel den Nachweis zu erbringen, dass sich die miniaturisierte Version zur Detektion der vorgegebenen Analyte eignet. Damit einher geht das zweite Teilziel die mininaturisierte Version mechanisch so stabil umzusetzen, dass sie f\u00fcr den Einsatz in einer Rammsonde geeignet ist. Nach erreichen dieser beiden Ziele ist eine Konzeption f\u00fcr qualit\u00e4tssichernde Massnahmen zu erarbeiten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenPhase 1: In einer Feinabstimmung werden die Analyte die beispielhaft in der Versuchsanlage VEGAS zu detektieren sind festgelegt. Daraufhin wird die Konfektionierung der Sensorfaser unter Ber\u00fccksichtigung der Analytauswahl vorgenommen und Tests im Labor durchgef\u00fchrt. Das BBS 100-Messsystem wird im Labor kalibriert. Zum Abschluss der Phase 1 wird der Eignungstest an simulierten Realproben an der VEGAS-Versuchsanlage Uni Stuttgart durchgef\u00fchrt.
\nPhase 2: Zu Beginn der Phase 2 wird ein Konzept zur weiteren Miniaturisierung des BBS 100 erarbeitet. Dies wird in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen zur Festlegung der Sondentechnik vorge-nommen um hinsichtlich Abmessungen und Geometrie \u00dcbereinstimmung zu erzielen.
\nAls Lichtquelle wird ein miniaturisierter Gl\u00fchstrahler eingesetzt. Mit der deutlich kleineren Gl\u00fchfl\u00e4che, kann bei gleicher in die Faser eingekoppelten Lichtleistung eine Reduzierung des Platzbedarfs und vor allem der ben\u00f6tigten elektrischen Leistung, und damit auch der erzeugten W\u00e4rme, erreicht werden. Durch eine konzeptionell andere Lichteinkopplung in die Faser wird eine h\u00f6here Effektivit\u00e4t und Empfind-lichkeit erreicht.
\nDurch den Einsatz einer Pyro-Detektorzeile wird eine weitere Miniaturisierung erreicht, da die gesamte Mechanik zur Bewegung des Beugungsgitters ersetzt wird. Durch diesen Wegfall der Mechanik wird gleichzeitig die Robustheit des Systems erh\u00f6ht. Mit dieser Ma\u00dfnahme ist es auch m\u00f6glich, mehrere Spektren in sehr kurzer Zeit hintereinander aufzunehmen und durch Aufsummieren mehrerer Spektren das Signal\/Rauschverh\u00e4ltnis zu verbessern.
\nParallel zu den mechanischen und optischen Miniaturisierungsmassnahmen wird die Daten- und Steuerelektronik miniaturisiert und angepasst. Dies betrifft die Stabilisation der Lichtquelle, Choppersteuerung und Datenakquisition der IR-Detektorzeile.
\nMit diesen Ma\u00dfnahmen wird ein sehr kompaktes, robustes Messger\u00e4t fertiggestellt, dessen geometrische Abmessung die Unterbringung in einer Rammsonde m\u00f6glich machen.
\nWichtigster Aspekt bei der Umsetzung des BBS 100 in ein System f\u00fcr den sondenintegrierten Einsatz ist die erforderliche hohe mechanische Stabilit\u00e4t und Robustheit. Dies zu gew\u00e4hrleisten erfordert hinsichtlich der Konstruktion besondere Ma\u00dfnahmen (Stabilit\u00e4t der Optik, D\u00e4mpfung mechanischer Ersch\u00fctterungen, Schutz der Sensorfaser etc.)
\nPhase 3: In der dritten Phase werden die Modifikationen vorgenommen, um aus dem Prototypen ein industrietaugliches Messsystem bereitzustellen. F\u00fcr qualit\u00e4tssichernde Ma\u00dfnahmen wird eine Konzeption ausgearbeitet. Sie beinhaltet die Beschreibung der kritischen Punkte und eine Anleitung f\u00fcr die Vorgehensweise bei Messungen im Feld. Probennahme, Handhabung des Messger\u00e4tes, dessen Wartung und Ma\u00dfnahmen zur Vermeidung von Ausf\u00e4llen werden Inhalt sein.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
In der 1. Phase des Projektes wurde der Nachweis erbracht, dass das BBS100 geeignet ist f\u00fcr den Nachweis von im Wasser gel\u00f6sten Kohlenwasserstoffen. Es wurde gezeigt, dass das Messsystem das Potenzial hat, durch weitere Miniaturisierung und den robusten Aufbau von Optik und Mechanik f\u00fcr die Rammsondiertechnik eingesetzt zu werden. In dieser Vorbereitungsphase f\u00fcr die Qualifizierungsmessungen wurde das Sensorelement \u00fcberarbeitet. Eine Silberhalid Sensorfaser wurde mit Ethylenpropylen-copolymer beschichtet um vornehmlich Tetrachlorethylenkonzentrationen im Wasser nachzuweisen.
\nNach erfolgreichem Test und Qualifizierungsmessung zum Abschluss der Phase I bei VEGAS, Stuttgart wurde ein Konzept f\u00fcr die weitere Miniaturisierung und Steigerung der Robustheit erstellt.
\nAuf Grund der harten Vorgaben bez\u00fcglich der Sensorgeometrie (zylinderf\u00f6rmige Au\u00dfenma\u00dfe mit Durchmesser 30 mm) wurde eine Spiegeloptik f\u00fcr das Spektrometer vorgesehen. Als Lichtquelle kann kein Globar, wie bei herk\u00f6mmlichen Spektrometern im MIR-Bereich \u00fcblich, verwendet werden. Es wurde auf miniaturisierte Gl\u00fchstrahler zur\u00fcckgegriffen, die allerdings deutlich lichtschw\u00e4cher sind. Um zu kurzen Baul\u00e4ngen zu kommen wurde die Sensorfaser durch ein ATR-Kristall ersetzt. Dies bietet die M\u00f6glichkeit durch bevorzugte Anregung der h\u00f6heren Lichtmoden, die eine h\u00f6here Sensitivit\u00e4t besitzen, bei verk\u00fcrzter Sensorl\u00e4nge in den gleichen Empfindlichkeitsbereich wie beim BBS100 zu kommen (1 ppm Tetrachlorethylen). Die hierzu gemachten Rechnungen zeigen, dass eine Empfindlichkeitssteigerung um den Faktor 10-15 zu erzielen ist.
\nIm Gegensatz zum BBS100 muss das Sensorelement aktiv bestr\u00f6mt werden. Zu diesem Zweck wurde ein Fluidikmodul entwickelt, das den Sensorkristall aufnimmt und der von der Probe beidseitig umstr\u00f6mt wird. Die Probe wird durch eine Pumpe angesogen, durch das Fluidikmodul gepumpt und am oberen Ende des Messsystems ausgesto\u00dfen.
\nEs hat sich w\u00e4hrend der Arbeiten gezeigt, dass der Vorteil, keine mechanisch bewegten Teile zur Aufnahme des Spektrums bei Einsatz einer Detektorzeile, zu ben\u00f6tigen, nicht zu realisieren ist. Die Detektivit\u00e4t der derzeit erh\u00e4ltlichen Detektorzeilen f\u00fcr das MIR ist f\u00fcr diese Anwendung nicht ausreichend. Somit wurde eine Mechanik zur Drehung des Gitters installiert, wobei schon bei der Konstruktion die Anforderungen an die notwendige Robustheit f\u00fcr ein rammfestes Messsystem ber\u00fccksichtigt wurden.
\nNach Fertigung der Einzelteile und Komponenten des Messsystems wurde das BBS200 zusammengebaut getestet und charakterisiert. Es zeigte sich, dass die hohen Anforderungen an die Mechanik und Optik umgesetzt wurden. Das BBS200 ist ein mechanisch und optisch sehr robustes und kompaktes Messsystem f\u00fcr den Einsatz in der Rammsondiertechnik. Die Rammfestigkeit wurde in Rammversuchen nachgewiesen. Es hat sich gezeigt, dass die erwartete Empfindlichkeit nicht ganz erreicht werden konnte. Die nachgewiesene Empfindlichkeit liegt derzeit knapp bei dem Wert des BBS100. Dies ist noch nicht ausreichend um notwendigen Bereich abzudecken der unter einem ppm liegt. Nach derzeitigem Stand der Untersuchungen liegt dies haupts\u00e4chlich noch am Detektorrauschen, verursacht durch Chopperschwankungen, was sich besonders im niederen Wellenzahlenbereich bemerkbar macht und an der Wellenzahlaufl\u00f6sung.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ausstellung des Messsystems auf Messen:
\n\u00a7\tACHEMA 2003
\n\u00a7\tSENSOR 2003
\n\u00a7\tHannover Messe 2004
\nVortr\u00e4ge:
\n\u00a7\tW. Konz, T. Beyer, A. Brandenburg, S. Hartwig, Chlorinated Hydrocarbons detected by IR-Mini-Spectrometer Achema 2003, 27. Internationaler Ausstellungskongre\u00df f\u00fcr Chemische Technik, Umweltschutz und Biotechnologie, Frankfurt a\/M, Germany 19.-24. May 2003
\n\u00a7\tW. Konz, The next step to sell an innovative sensor, EU-Workshop The Functioning and Management of the Water-Soil-System at River-Basin Scale: Diffuse Pollution and Point Sources, Orleans, France 26.-28. November 2003
\n\u00a7\tW. Konz, High-Tech-Methoden der Vor-Ort-Analytik, Miniaturisierung eines Breitband-spektrometers f\u00fcr den Einsatz in einer Rammsonde zur Detektion von Sickerw\u00e4ssern, VEGAS, Stuttgart, 30. April 2004<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit dem BBS200 wurde ein Messsystem geschaffen mit dem Ziel, es in der Rammsondiertechnik zum Nachweis von Kohlenwasserstoffen einzusetzen. Es ist gelungen, aufbauend auf der Entwicklung des BBS100 ein sehr kompaktes und robustes Absorptionsspektrometer f\u00fcr das mittlere Infrarot zu entwi-ckeln, das den mechanischen Belastungen bei der Rammsondierung standh\u00e4lt. Es wurde ein Konzept f\u00fcr ein miniaturisiertes Messsystem f\u00fcr die Rammsondiervorrichtung erstellt und Wege zur weiteren Optimierung aufgezeigt. Die Entwicklung von Sensorelementen f\u00fcr den Einsatz der ATR-Technologie in der Wasseranalytik wurde weiter vorangebracht. Die Beschichtung von ATR-Sensorelementen mit hydrophoben Polymeren zur angereicherten Detektion von Kohlenwasserstoffen wurde verbessert und die Technik zur planaren Beschichtung von ATR-Kristallen installiert. Es wurden die Voraussetzungen geschaffen f\u00fcr die Herstellung von ger\u00e4tespezifisch designten Spiegeloptiken f\u00fcr das mittlere Infrarot. Dieser wichtige Schritt versetzt IPM in die Lage geometrisch angepasste Spiegeloptiken zu fertigen. Dadurch k\u00f6nnen ganz neue Wege bei der Miniaturisierung von Messsystemen f\u00fcr das mittlere Infrarot gegangen werden.
\nDie gemachten Erfahrungen bei der Entwicklung des BBS200 sind von gro\u00dfem Wert f\u00fcr k\u00fcnftige Entwicklungen in diesem Bereich. F\u00fcr die angestrebte, noch nicht erreichte Steigerung der Empfindlichkeit wurde Verbesserungspotenzial entwickelt, das zum gro\u00dfen Teil w\u00e4hrend der letzten Monate der Projekt-laufzeit umgesetzt wurde.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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