Schneller, zuverlässiger Nachweis von Spurengasen durch resonante Photoakustik

© Fraunhofer / Piotr Banczerowski: Das neuartige Sensorprinzip bestimmt seine eigene Resonanzfrequenz fortlaufend selbst und führt die optische Anregung automatisch nach.

Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM hat eine hochempfindliche Gassensorik entwickelt, die präzise Spurengasmessungen in ein robustes, kompaktes Hardwareformat integriert. Durch die Anpassung eines resonanten photoakustischen Messverfahrens an industrielle Umgebungen konnte das Entwicklungsteam die Betriebskosten für die Hardware auf einen Bruchteil herkömmlicher Geräte senken. Diese Leistung brachte den Forschenden den Joseph-von-Fraunhofer-Preis für das Jahr 2026 ein.

Resonanzstabilisierung und Nutzung der Sensorwand
Der zugrunde liegende Mechanismus beruht auf dem photoakustischen Effekt: Gase, die Licht ausgesetzt werden, absorbieren Energie, erwärmen sich und dehnen sich aus. Das Pulsieren der Lichtquelle erzeugt periodische Druckschwankungen, die sich in Schallwellen übersetzen, deren einzigartige Frequenzen direkt einzelnen molekularen Gasarten zugeordnet werden können. Dieser photoakustische Effekt bietet eine Messmethode, die selbst bei der Verfolgung geringer Spurengaskonzentrationen präzise bleibt.

Trotz seiner inhärenten Empfindlichkeit war das Verfahren bisher auf eine Marktnische beschränkt, da es zur akustischen Signalverstärkung auf einen physischen Resonatorhohlraum angewiesen ist. Diese Resonatoren reagieren empfindlich auf geringfügige Umgebungsschwankungen des Luftdrucks, der Temperatur oder externer mechanischer Belastungen. Um die Messgenauigkeit aufrechterhalten zu können, muss das System die korrekte Resonanzfrequenz exakt treffen.

Das Forschungsteam um Christian Weber, Katrin Schmitt und Johannes Herbst löste diese Einschränkung durch die Entwicklung eines Sensorprinzips, das eine kleine sekundäre Leuchtdiode (LED) integriert. Diese bestimmt kontinuierlich die Resonanzfrequenz des internen Hohlraums und passt die optische Anregungsquelle automatisch an. Das System macht sich eine bekannte physikalische Eigenschaft zunutze, bei der die interne Sensorwand Strahlung absorbiert und ein starkes photoakustisches Basissignal erzeugt.

Die Plattform nutzt diese Sensorwand in Kombination mit der sekundären Lichtquelle, um die aktuelle Resonanzfrequenz in Echtzeit zu erfassen. Durch diese Echtzeitkorrektur bleibt die resonante Verstärkung auch unter schwankenden Umgebungsbedingungen stabil. Gleichzeitig minimieren die reduzierten Hardware-Abhängigkeiten den Produktionsaufwand, was Sensorpreise von etwa einem Zehntel herkömmlicher Geräte ermöglicht.



© Fraunhofer / Piotr Banczerowski: Mit der industrietauglichen Weiterentwicklung des Messverfahrens ist es Dr. Johannes Herbst, Dr. Katrin Schmitt und Dr. Christian Weber (v. l.) gelungen, hochsensitive Gassensorik in ein robustes und kompaktes Format zu überführen.

Netzprüfung und Infrastrukturüberwachung
Die erste kommerzielle Umsetzung der Plattform wurde von der Firma Schütz Messtechnik zur automatisierten Überwachung von Erdgasverteilungsnetzen realisiert. Das System isoliert kleinste Mengen von Methangas in der Umgebungsluft, um Lecks in der Infrastruktur frühzeitig zu erkennen.

Johannes Herbst, Projektleiter in der Gruppe Spektroskopie und Prozessanalytik am Fraunhofer IPM, betonte, dass der Prüfprozess eine hohe Geschwindigkeit und Präzision erreicht, indem das Volumen der Messkammer auf rund vier Milliliter reduziert wurde – eine erhebliche Verringerung gegenüber den vier Litern, die bei herkömmlicher Hardware erforderlich sind. Diese bauliche Verkleinerung senkt das physische Gewicht der Baugruppe und verbessert die Tragbarkeit sowie die Vielseitigkeit im mobilen Einsatz.

Über die Pipeline-Inspektion hinaus wird die Sensorplattform in gasisolierten Hochspannungsanlagen eingesetzt. In dieser Anwendung ermöglicht die kompakte Sensorgröße eine kontinuierliche, integrierte Überwachung der Isoliergasqualität in aktiven Elektronikgehäusen, um die Betriebssicherheit des Netzes zu erhöhen.

Interdisziplinäre Entwicklung und Technologietransfer
Die schnelle Markteinführung der Plattform wurde durch eine kooperative Entwicklungsleistung innerhalb des Fraunhofer IPM vorangetrieben. Christian Weber, der 2025 den Hugo-Geiger-Preis für seine Doktorarbeit über Photoakustik erhielt, koordinierte die zentralen integrierten Sensor-Workflows zusammen mit Katrin Schmitt, Leiterin der Gruppe Thermische Messtechnik und Systeme, und Johannes Herbst, der den Technologietransfer der Laserspektroskopie leitete.

Die preisgekrönte Plattform dient als Benchmark für die Übertragung angewandter Physik in kommerzielle Feldinstrumente. Die Methandetektionssysteme bilden die Basis für zukünftige Generationen resonanter photoakustischer Hardware, deren voraussichtliche Anwendungen von der industriellen Prozessüberwachung bis zur automatisierten Überwachung von Umweltemissionen an vielbefahrenen Straßen reichen.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt beschreibt technische Spezifikationen, die in der ursprünglichen Pressemitteilung nicht enthalten waren.

Sensoren für die resonante photoakustische Spektroskopie (PAS) beruhen auf der Wechselwirkung zwischen molekularen Absorptionslinien und der Physik akustischer Wellen. Wenn ein Zielgasmolekül ein Photon einer modulierten Lichtquelle absorbiert, geht es in einen angeregten Schwingungs-Rotations-Energiezustand über. Diese Energie wird anschließend durch nicht-strahlende Relaxation freigesetzt, wobei intermolekulare Stöße die interne molekulare Anregung in kinetische Energie umwandeln. Diese lokale Erwärmung erzeugt eine periodische Druckwelle in einem akustischen Resonatorhohlraum.

Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren, muss die Modulationsfrequenz der Lichtquelle mit einer der akustischen Eigenmoden des Resonators übereinstimmen, bei dem es sich in der Regel um einen zylindrischen oder H-förmigen longitudinalen Hohlraum handelt. Der Gütefaktor des Hohlraums bestimmt die gesamte resonante Verstärkung und skaliert das akustische Signal oft um den Faktor 10 bis 100. Da sich die Schallgeschwindigkeit jedoch mit der Temperatur ändert, verschiebt sich die exakte Resonanzfrequenz eines kleinen 4-mL-Hohlraums während des Feldeinsatzes dynamisch. Weicht die optische Modulationsfrequenz auch nur um den Bruchteil eines Hertz vom akustischen Peak ab, fällt die Signalamplitude drastisch ab, was zu einer starken Messdrift führt.

Durch die Integration einer sekundären Tracking-LED, die auf die Hohlraumgrenzen fokussiert ist, etabliert das System einen sekundären Dither- oder Phasenregelkreis (PLL-Regelkreis). Dieser Tracking-Mechanismus überwacht die Phasenverschiebung zwischen der optischen Modulation und der resultierenden Mikrofonantwort – die im Zentrum des Resonanzpeaks exakt durch Null geht. Diese Echtzeitkorrektur ermöglicht es dem System, ein stabiles, verstärktes akustisches Signal aufrechterhalten, ohne dass eine dicke thermische Isolierung oder sperrige, temperaturgeregelte Öfen erforderlich sind. Die akustischen Wellen werden mit kostengünstigen MEMS-Kondensatormikrofonen (Micro-Electro-Mechanical Systems) oder piezoelektrischen Quarzstimmgabeln erfasst, was eine Gasselektivität im ppm- (Parts-per-Million) oder ppb-Bereich (Parts-per-Billion) in einem kompakten, vibrationsresistenten Festkörpergehäuse ermöglicht.

Bearbeitet von Romila DSilva, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.