Projekt 19233/01

High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung: SAW-Sensorik für die sondenintegrierte Analytik von Bodengasen

Projektträger

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)Institut für Instrumentelle Analytik (IFIA)
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Telefon: 07247/82-3238

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Projekt ist Teil des Verbundvorhabens High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung.In der Bundesrepublik Deutschland werden jährlich ca. 100 ha Land für Siedlung und Verkehr verbraucht, die Hälfte dieser Fläche wird dabei versiegelt. In den letzten 50 Jahren hat sich die Siedlungs- und Verkehrsfläche in den alten Bundesländern nahezu verdoppelt. Während einerseits neue Gewerbe- und Wohngebiete auf der grünen Wiese entstehen, wächst der Anteil an Brachflächen. Ein Lösungskonzept zur Verminderung des Flächenverbrauchs ist die konsequente Umsetzung eines Flächenrecyclings, also der Wiedernutzung von industriellen, gewerblichen oder militärischen Brachflächen, vor allem im urbanen Bereich. Dies sind in aller Regel altlastverdächtige Flächen. Um eine zügige und belastbare Erkundung dieser Flächen zu gewährleisten, können Analyseverfahren, die vor Ort eingesetzt werden, wichtige Vorteile bringen. Aus diesem Grund hat die DBU das Verbundvorhaben High-Tech Methoden zur Unter-grundsondierung gefördert. Ziel des Verbundes war es, konventionelle, handgehaltene bis mittelschwere Sondiersysteme mit kostengünstigen und modernen Sensoren auszurüsten. Damit sollen bereits bei den Erkundungsarbeiten analytische Signale erzeugt und ausgewertet werden können. Das Verbundvorha-ben wurde in 14 eigenständige 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.
Bodenluftanalysen, wie sie bei Sanierungsprozessen, in der Abfallwirtschaft oder bei Maßnahmen des vorsorgenden Umweltschutzes an Industriestandorten notwendig sind, stützten sich bisher noch weitgehend auf zeitlich und finanziell aufwändige Laborverfahren. Im Rahmen des Einzelvorhabens SAW-Sensorik für die sondenintegrierte Analytik von Bodengasen soll auf Basis eines SAW-Sensors (surface acoustic waves) ein System bis zur Einsatzfähigkeit entwickelt werden, das es ermöglicht, durch Integration dieser Technik in penetrierfähige Sonden vor Ort und in Echtzeit detaillierte Aussagen über die Belastung der Bodenluft zu gewinnen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenKonzeption des einkanaligen SAW-Mikroarrays von 4 - 8 Sensoren: Aufgrund von leicht modifizierten geometrischen Anpassungen konnte ein bislang vorhandenes Sensorkonzept, bestehend aus einem 8-fachen SAW Sensorarray in die Rammkernsonde integriert werden. Dadurch kann dessen bessere a-nalytische Leistung voll in der Analytik von Bodengasen genutzt werden.
Konzeption der Probenahmetechnik: Bereits zur Projektlaufzeit wurde die Probenahme als kritisch an-gesehen und ihr deshalb eine erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt. Verschiedene Techniken hierzu wurden ausgiebig getestet. Am Ende wurde eine eigene Konzeption entwickelt, die auf die Bedürfnisse der SAW-Sensoren zugeschnitten war. Diese enthielt eine Anreicherungseinheit, die zyklisch angesteuert, immer wieder ausgeheizt werden kann. Die thermische Belastung der gesamten Sonde musste dabei be-rücksichtigt werden sowie die bei der Probenahme in der Rammkernsonde veränderten Einlasswider-stände von Bodengasen durch Verstopfen des Einlasssystems.
Aufbau einer rammbaren sondenintegrierter Sensorkonfiguration: Ist in mehreren Schritten gemäß des jeweiligen Entwicklungsfortschrittes erfolgt. Wesentlicher Punkt war eine Entkopplung der Mechanik von den Rammstößen durch eingebaute Federelemente und Dämpfungsglieder.
Sensorkalibration: Sensorschichten wurden speziell so ausgewählt, dass sie ein lange Lebensdauer un-ter den Bedingungen der Bodensonde sowie eine hohe Sensitivität und Selektivität aufwiesen bezüglich der im Projekt definierten exemplarischen Zielanalyten. Mit einer speziell hierfür konzipierten Kalibriereinrichtung wurden die Sensoren unter Laborbedingungen kalibriert. Speziell berücksichtigt wurden hierbei auch Störgase, die Daten wurden dem Projektpartner QuoData zur Verfügung gestellt. Chemisch-analytische Tests: Mehrere sind erfolgt in der VEGAS-Versuchsanlage (2x) in Karlsruhe (2x) und in Rendsburg, wobei jeweils der neuste Entwicklungsstand der Sonden zur Anwendung kam.


Ergebnisse und Diskussion

Die SAW-Sensortechnik konnte erfolgreich in die Bodensonde integriert werden. Nach anfänglichen Problemen durch Querempfindlichkeiten der Sensorik mit Feuchte konnte durch eine modifizierte Probenahmetechnik ausreichende Sensorstabilität erzielt werden. Die Problematik des Feuchteeinflusses und den veränderlichen Strömungsbedingungen im Einlasssystem wurden erfolgreich gelöst. Probleme gab es allerdings bis zuletzt mit dem Einlasssystem. Da das Einlasssystem bis zuletzt ungefedert in der Rammspitze montiert wurde, gab es häufige Ausfälle durch mechanische Defekte beim Rammen. Die elektrische und fluidische Ankopplung des Einlasssystems an die Sensorik erfolgte durch Schläuche und Kabel welche beim Zusammenschrauben der Röhren sich leicht verdrillten und quetschten. Hier würde sich die Integration des Einlasssystems in die mechanisch gedämpfte Sensorik als Lösung anbieten.
Die Feldmessungen haben gezeigt dass die Infrarotverbindung innerhalb des Rammgestänges nicht zuverlässig arbeitet. Was die Software-Entwicklung angeht so konnte für die am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte SAW-Sensorik im Rahmen des hier besprochenen Projektes eine Umsetzung der Ansteuerung unter den vereinbarten Rahmenbedingungen realisiert werden. Somit könnte eine noch zu implementierende Mastersoftware ohne weiteres genutzt werden. Es wurde gezeigt, dass die Nutzung von XML-RPC für diese Anwendung die genannten Vorteile bietet und die bislang definierten Schnittstellen ohne großen Aufwand ausgebaut werden können. Die realisierte Clientsoftware war sowohl auf einem PDA, als auch auf PC oder Laptop unter verschiedenen Betriebssystemen lauffähig.
Die Feldmessungen ergaben brauchbare Messergebnisse die das viel versprechende Potenzial dieser Technik aufzeigte. Es konnten exemplarische Rammungen bis zu einer Tiefe von 8 m durchgeführt wer


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Beitrag zur Achema 2003 (gemeinsam mit VEGAS)
Beitrag zur ConSoil 2003 (gemeinsam mit VEGAS)
Beitrag zur IEEE Sensors 2005


Fazit

Die SAW Sensorik erweist sich als ideale Technik zu Lösung der im Projekt gestellten Aufgabe einer Bodensondenintegrierten Probenahme. Nicht zuletzt konnte die durch die speziell hiefür konzipierte Probenahmetechnik realisiert werden. Die gesetzten Projektziele konnten im technischen, finanziellen und im zeitlichen Rahmen erreicht werden.