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Messgerät Drohne mit Spektrometer entdeckt Europas größte Methanquellen

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Methan gilt als einer der Hauptverursacher der globalen Erderwärmung. Nicht exakt bekannt hingegen ist, welchen Beitrag die einzelnen Methanquellen dabei haben. Ein an der Empa entwickeltes Spektrometer soll nun die exakten Methankonzentrationen bestimmen. Eine Drohne hilft die Daten einzufangen.

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Die leichte Drohne mit dem aufmontierten Quantenkaskaden-Laser kann mobil die Methanemissionen auf Öl- und Gasfeldern messen.
Die leichte Drohne mit dem aufmontierten Quantenkaskaden-Laser kann mobil die Methanemissionen auf Öl- und Gasfeldern messen.
(Bild: Empa)

Rumänien zählt mit seinen zahlreichen Öl- und Gasfeldern zu einer der Hauptquellen der europäischen Methanemissionen. Dabei tritt das Methan, was als einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung gilt, über die Bohrschächte dieser Felder an die Oberfläche und entweicht teilweise in die Atmosphäre. Ermittelt haben dies 20 Forschungsgruppen aus sieben Ländern, die innerhalb des Horizon2020-Projektes MEMO2 (Methane goes Mobile, Measurements and Modelling). Sie untersuchen die einzelnen Emissionen der Methanquellen mit mobilen Analysegeräten.

Leichtes Messgerät ermittelt Methan-Emissionen

Bisher wurde die Konzentration des Methans nur mit stationären Messgeräten ermittelt. Teilweise werden die Messgeräte in Fahrzeuge eingebaut. Diese können dann aber nur genau entlang der Strasse eingesetzt werden – ein exaktes Ergebnis ist so nicht möglich.

Lukas Emmenegger, Leiter der Empa-Abteilung Luftfremdstoffe / Umwelttechnik, hat zusammen mit seinem Team ein präzises und leichtes Messgerät entwickelt, das auf einem Quantenkaskaden-Laser (QCL) basiert.

Das Spektrometer wird auf einer Drohne montiert und kann so die dreidimensionale Verteilung von Methan in der Umgebung einer Quelle bestimmen. Kombiniert man diese Daten mit Windmessungen, dann können die Forschenden daraus die Emission einer Quelle berechnen. Auch größere Quellen oder Teile von Ölfeldern können überflogen werden, um daraus zu bestimmen, an welchen Orten Methan in welchen Mengen an die Oberfläche gelangt.

QCL-Spektrometer detektiert zehn Umweltgase gleichzeitig

Neben Methan stehen auf der Liste der Umweltschadstoffe:

  • Kohlendioxid (CO2)
  • Ozon (O3) und
  • Ammoniak (NH3)

Instrumente, die diese Gase messen können, sind jedoch komplex, teuer und benötigen viel Energie, denn jedes Gas muss mit einer separaten Methode gemessen werden – zumindest bis jetzt. Die beiden ehemaligen Empa-Forschenden Morten Hundt und Oleg Aseev haben ein QCL-Spektrometer entwickelt, das zehn Umweltgase gleichzeitig detektieren kann. Mit ihrem Empa-Spin-off „Miro Analytical Technologies“ sind sie seit Januar 2019 Teil des Business Inkubators der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA, denn ihr High-Tech-Sensor kann als wichtige Referenz – am Boden oder flugzeuggestützt – für die Beobachtung von Umweltgasen mittels Satelliten dienen.

Globale Karten der CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre

Die ESA setzt bei den Vorbereitungen für die CO2M-Satellitenmission (Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring) ebenfalls auf die Expertise der Empa. Ab 2025 sollen die ersten CO2M-Satelliten in den Orbit geschickt werden, die mit Hilfe von spektroskopischen Messungen globale Karten der CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wieviel Kohlendioxid von Industrieanlagen, Städten und Ländern emittiert wird.

Um das zu messen, muss der Satellit etwa in der Lage sein, die vom Mensch erzeugte CO2-Emission von den Signalen der Biosphäre – also dem natürlich vorkommenden CO2 – zu unterscheiden. Die Idee dahinter: Ein kombiniertes Messgerät, das Kohlendioxid, aber auch zusätzlich Stickstoffdioxid (NO2) detektiert. „Bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht nämlich nicht nur CO2, sondern auch große Mengen an Stickoxiden, nicht jedoch bei der natürlichen Atmung der Biosphäre, die ausschließlich CO2 produziert“, so Kuhlmann.

Satellitenbilder aus den Simulationen der Empa-Forschenden: Das Bild links zeigt die Messungen des CO2-Instruments, das Bild rechts des NO2-Instruments des Satelliten. Deutlich sind die Emissionen der Stadt Berlin sowie mehrere Kohlekraftwerke zu erkennen.
Satellitenbilder aus den Simulationen der Empa-Forschenden: Das Bild links zeigt die Messungen des CO2-Instruments, das Bild rechts des NO2-Instruments des Satelliten. Deutlich sind die Emissionen der Stadt Berlin sowie mehrere Kohlekraftwerke zu erkennen.
(Bild: Empa)

Verteilung der CO2- und der NO2-Konzentrationen in 2015 simuliert

Das Stickstoffdioxid-Instrument sollte also anthropogene und bio-sphärische CO2-Signale voneinander zu trennen. Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO2- und der NO2-Konzentrationen für das Jahr 2015. Die aufwändigen Simulationen wurden auf dem schnellstem Hochleistungsrechner Europas durchgeführt, dem Piz Daint am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano.

Ergebnis: Eine Kombination der Messungen von CO2 und NO2 liefert bessere und verlässlichere Resultate, als wenn nur ein CO2-Messgerät auf dem Satelliten verbaut wäre. Die Empfehlung für den Einbau eines zusätzlichen NO2-Messinstruments wurde von der ESA bereits in die Planung der neuen Satelliten übernommen.

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