Laser sind aus unserer Welt nicht mehr wegzudenken: Sie drucken Dokumente, spielen CDs oder DVDs ab, fertigen durch Schweißen, Schneiden oder Biegen Fahrzeuge, vermessen Straßen, beobachten unseren Blutstrom oder entfernen Tumore aus unserem Körper. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg haben die Technologie nun für ein weiteres Anwendungsfeld optimiert: Ihr Quantenkaskadenlaser, ein spezieller Infrarotlaser, das Herzstück eines Analysators, kann automatisch Trinkwasser direkt im Wasserwerk prüfen. Wasserversorger sind so in der Lage, innerhalb weniger Minuten festzustellen, nicht nur ob, sondern auch mit welcher Substanz das Wasser verunreinigt ist. Der Analysator ist insbesondere darauf spezialisiert, gesundheitsgefährdende chemische Schadstoffe sofort zu identifizieren. »Die Apparatur testet direkt im ständigen online-Betrieb am Wasserwerk das Wasser auf gefährliche Inhaltsstoffe und ermöglicht bei Auffälligkeiten eine schnelle Reaktion«, fasst Dr. Frank Fuchs die Vorteile zusammen. Er koordiniert am IAF das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt »IRLSENS«.
Um die Bestandteile des Wassers zu überprüfen, nutzen die Experten die Molekülspektroskopie: Sie untersuchen die optischen Spektren der im Wasser enthaltenen Moleküle. Diese sind für jede chemische Verbindung einzigartig, da das einzelne Molekül bei charakteristischen Frequenzen schwingt und Licht absorbiert. Wasser selbst schluckt infrarotes Licht sehr stark und die bisher eingesetzten Lichtquellen liefern wenig Leistung. Daher war eine derartige Untersuchung bisher nur im Labor möglich. »Der Knackpunkt ist vor allem die Intensität des Lichts. Um direkt am Wasserwerk zu spektroskopieren, mussten wir eine leistungsstärkere Quelle finden«, erläutert Fuchs.
Wasserproben im laufenden Betrieb entnehmen
Der Quantenkaskadenlaser des IAF produziert bis zu 1000 Mal intensiveres Licht als der bisher im Labor verwendete thermische Strahler aus Siliziumcarbid. Per Infrarotstrahlung – im langwelligen, für das menschliche Auge nicht sichtbaren Bereich des Lichts – lassen sich Verunreinigungen des Wassers analysieren. Die für die Molekülspektroskopie relevanten Wellenlängen liegen zwischen 7,3 und 11 Mikrometern. Die Wasserproben müssen nun nicht mehr aufwändig und zeitintensiv im Labor präpariert, sondern können direkt im laufenden Betrieb entnommen werden. Das Messsystem ist nur wenig größer als ein Schuhkarton, funktioniert autonom und benötigt kaum Wartung.
Ein Demonstrator hat den ersten Praxistest bereits erfolgreich bestanden: Im badischen Wasserwerk Kleine Kinzig musste der Laser testweise eingebrachte Süssstoffproben in unterschiedlichen Dosen aufspüren. Sechs Wochen lang wurde alle drei Minuten gemessen. Insgesamt 21 000 Proben erfasste das System im vollautomatischen Betrieb. Das Ergebnis: Jede einzelne Probe wurde exakt erfasst. Es gab keinen einzigen Fehler. Auch die Bedenken hinsichtlich der Vibrationsanfälligkeit des Laserspektrometers erwiesen sich als unbegründet: Die laufenden Maschinen und Pumpen in der Maschinenhalle hatten keine negativen Auswirkungen auf das Testergebnis. Abhängig von der Nachfrage will der Projektpartner Bruker Optik, der den Demonstrator gebaut hat, das Messsystem zu einem Produkt weiterentwickeln.
Das deutsche Trinkwassersystem verfügt über sehr hohe Qualitätsstandards. Alle deutschen Wasserwerke lassen ihre Wasserproben in Laboren wie dem Technologiezentrum Wasser (TZW) in Karlsruhe regelmäßig prüfen. Gleichzeitig hat jedes einzelne Werk ununterbrochen Trübung, pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit im Blick, um bei Auffälligkeiten sofort einzugreifen zu können. »Für den Fall solcher Auffälligkeiten ermöglicht die neuartige Lasertechnologie eine schnelle Identifikation von Gefahrstoffen vor Ort und kann die Wasserexperten bei ihrer Analyse der Lage unterstützen«, schließt Fuchs.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 01.10.2013 – KSA)
