(Freiburg / Deutschland) – Licht kann Gas zum Schwingen anregen und dadurch eine resonante Schallwelle erzeugen, genannt „photoakustischer Effekt“. Ein Ultraschallsensor erkennt dies. Gelange durch eine Membran Wasserstoff in dessen Gehäuse, komme es zu einer Resonanzverschiebung – einer Veränderung des Tons. Dieser veränderte Ton werde von Mikrofonen registriert.
Funktionsprinzip: LED-Licht erzeugt im Gas eine Ultraschallwelle. Gelangt Wasserstoff ins Gehäuse, kommt es zu einer Resonanzverschiebung. Ein auf mikroelektromechanischem System (MEMS) basierendes Mikrofon registriert diese Resonanzverschiebung. © Fraunhofer IPM
Für den Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur sei die Sicherheit der Leitungen, Speicher und Anschlussstellen von entscheidender Bedeutung, so die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg. Denn das unsichtbare und geruchlose Gas ist leicht brennbar und explosiv. Das am Institut entwickelte Sensorsystem erkenne den Angaben zufolge zuverlässig „auch kleinste Mengen Wasserstoff “. Leckagen aller Art ließen sich damit schnell aufspüren. Der Ultraschallsensor könne genutzt werden, um Behälter, gasführende Leitungen oder Verbindungsstücke zu prüfen.
„Denkbar wäre auch, mehrere Geräte ähnlich wie Rauchmelder in einem Raum zu verteilen und zu einem Sensornetzwerk zu verknüpfen“, erklärt Carolin Pannek vom Fraunhofer IPM. Der Ultraschallsensor arbeite so exakt, dass er sogar registriere, wenn sich im Wasserstoff Moleküle anderer Stoffe befinden, er also minimal verunreinigt sei. Brennstoffzellen, die beispielsweise in Lkw Strom erzeugten, benötigten hochreinen Wasserstoff. Kleinste Verunreinigungen könnten die empfindlichen Membranen beschädigen. „Hier prüft der Sensor, ob der Wasserstoff wirklich rein ist“, so die Forscher.
Laserspektrometer für Ammoniak
Detektion von Ammoniak: Das Laserspektrometer des Fraunhofer IPM absorbiert die Wellenlänge von Ammoniak und zeigt das Ergebnis auf einem Display an. © Fraunhofer IPM
Die Nutzung von Ammoniak (NH3) als Speichermedium von Wasserstoff ist demgegenüber deutlich einfacher. „Da Ammoniak aber extrem giftig ist, müssen Leckagen schnell und zuverlässig entdeckt werden“, heißt es beim Fraunhofer IPM. Zur Ferndetektion von Ammoniak habe man ein Laserspektrometer entwickelt. Es absorbiere die Wellenlänge von Ammoniak, reagiere deshalb sofort und zeige das Ergebnis auf einem Display an. „Fachkräfte können das kompakte Gerät in der Hand halten und so Rohrleitungen oder Tanks aus sicherer Entfernung von bis zu 50 Metern prüfen“, sagt Fraunhofer-Projektleiterin Pannek. Auf Drohnen montiert, prüfe es Industrieanlagen oder fliegt über Pipeline.
Raman-Spektroskopie
Das dritte Messsystem sei eine Weiterentwicklung der Raman-Spektroskopie. Es arbeite auf der physikalischen Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. „Das von der Materie reflektierte Licht hat eine andere Wellenlänge als das eingestrahlte Licht. Jede Materie erhält dadurch einen spektroskopischen Fingerabdruck.“ Der vom Fraunhofer IPM entwickelte Raman-Sensor arbeite mit kostengünstigen Komponenten und diene „als flexible Prüfstation zur Quantifizierung“. Zum Einsatz komme das System beispielsweise in der Energiewirtschaft bei der Erzeugung von Wasserstoff.
Die Forschungsarbeiten waren Teil des Wasserstoff-Leitprojekts TransHyDE des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gemeinsam mit dem Projektträger Jülich.
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Das Fraunhofer IPM entwickelte einen Wasserstoff-Ultraschallsensor zur Überwachung von Tanks, Leitungen oder Verbindungsstücken, um Leckagen frühzeitig zu erkennen. © Fraunhofer IPM
