Mobiles UV-Dualkamm-Spektrometer zur präzisen Erfassung von Luftschadstoffen entwickelt
Ein Forscherteam am Institut für Experimentalphysik der Technischen Universität Graz hat unter Leitung von Univ.-Prof. Birgitta Schultze-Bernhardt ein innovatives UV-Dualkamm-Spektrometer konzipiert, das gasförmige Luftschadstoffe mit bisher unerreichter Genauigkeit und Sensitivität misst. Das kompakte Gerät ermöglicht die mobile Überwachung der Luftqualität über Entfernungen von bis zu zweieinhalb Kilometern.
Funktionsprinzip und Messverfahren
Das Spektrometer erzeugt innerhalb von Sekundenbruchteilen zwei ultraviolette Laserimpulse, die auf die Gasmoleküle treffen und diese elektronisch anregen. Dabei werden sogenannte rovibronische Übergänge ausgelöst, bei denen die Moleküle rotieren und vibrieren. Diese Übergänge sind für jede gasförmige Substanz charakteristisch und absorbieren spezifische Anteile des UV-Lichts. Somit besitzt jeder Schadstoff einen individuellen „Fingerabdruck“, den das Gerät erkennen kann.
Technische Weiterentwicklung und Vorteile
Die erste Version des Spektrometers wurde vor etwa zwei Jahren vorgestellt und erforderte noch umfangreiche Laboraufbauten. Die aktuelle Generation ist auf die Größe eines Umzugskartons reduziert, was den mobilen Einsatz ermöglicht. Dies wurde unter anderem durch die Verwendung einer einzigen Laserquelle zur Erzeugung des Doppellaserimpulses erreicht, wodurch auf komplexe elektronische Stabilisierung verzichtet werden kann.
Hohe Auflösung und neue wissenschaftliche Erkenntnisse
Das Gerät erreicht eine Frequenzauflösung von 1 GHz im UV-Bereich und übertrifft damit herkömmliche UV-Spektrometer deutlich. Bei Tests mit Formaldehyd konnten erstmals experimentell Absorptionsmuster nachgewiesen werden, die zuvor aufgrund unzureichender Auflösung nicht beobachtet wurden. Diese Ergebnisse führten zu einer Korrektur der seit den 1960er-Jahren gültigen Rotationskonstanten von Formaldehyd um bis zu 15 Prozent. Die Korrektur erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und wurde durch die Bereitstellung hochreinen Formaldehyds vom Institut für Organische Chemie der TU Graz unterstützt.
Anwendungsbereiche und zukünftige Entwicklungen
Das Spektrometer eignet sich nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern bietet auch praktische Vorteile für die Umweltüberwachung. Es kann zur präzisen Detektion von Luftschadstoffen und Gaslecks in urbanen, industriellen und landwirtschaftlichen Gebieten eingesetzt werden. Aktuell wird an der Erweiterung gearbeitet, um mehrere Schadstoffe simultan mit einer Messung zu erfassen. Zudem ist die Entwicklung eines anwenderfreundlichen UV-Spektrometers im Gange, das auch von Nicht-Fachleuten zur Luftqualitätsüberwachung verwendet werden kann.
Förderung und Kooperationen
Die Forschungsarbeiten wurden durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), den Europäischen Forschungsrat (ERC) sowie die Kooperationsinitiative NAWI Graz unterstützt. Letztere finanzierte die neuartige Laserquelle des aktuellen Spektrometers im Rahmen ihrer Infrastrukturförderung.
Kontakt und weiterführende Informationen
- Ansprechpartnerin: Univ.-Prof. Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Birgitta Schultze-Bernhardt
- Institut: Institut für Experimentalphysik, TU Graz
- Telefon: +43 316 873 8663
- E-Mail: schultze-bernhardt@tugraz.at
Publikation
Free-running Ultraviolet Dual Comb Spectroscopy enabling Absolute Electronic Fingerprinting
Autor*innen: Lukas Fürst, Mithun Pal, Alexander Eber, Emily Hruska, Clemens Hofmann, Iouli Gordon, Martin Schultze, Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt
Veröffentlicht in: PhotoniX 7, 33 (2026)
DOI: https://doi.org/10.1186/s43074-026-00250-6
