Faszination Technik Echtzeitsensoren zeigen – grüner Wasserstoff leuchtet pink

Quelle: FAU / Redakteur: Peter Königsreuther

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie ein Sensor Wasserstoff sichtbar macht.

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Wer hätte das gedacht? Grüner Wasserstoff (aber nicht nur dieser) lässt Suprapartikel-Sensoren, die am FAU entwickelt wurden, pink leuchten! Was das für einen vorteilhaften Sinn für uns alle hat, erfahren Sie in diesem Beitrag.
Wer hätte das gedacht? Grüner Wasserstoff (aber nicht nur dieser) lässt Suprapartikel-Sensoren, die am FAU entwickelt wurden, pink leuchten! Was das für einen vorteilhaften Sinn für uns alle hat, erfahren Sie in diesem Beitrag.
(Bild: Kniggespiel)

Das für das menschliche Auge eigentlich unsichtbare Wasserstoffgas kann unentdeckt zu heftigen Bränden und Explosionen führen. Das wollten die Experten an der FAU der Departments Chemie und Pharmazie und des Lehrstuhls für Thermische Verfahrenstechnik ändern – mit Erfolg! Das Ergebnis sind sogenannte Suprapartikel, bei denen es sich, wie der Name schon vermuten lässt, um winzig kleine Partikel handelt. Der Clou: sie verändern ihre Farbe, sobald sich Wasserstoffgas in ihrer Umgebung befindet. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden erstmals in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Suprapartikel-Sensoren sichern den Weg in die Nachhaltigkeit

Wasserstoff boomt. Und mit erneuerbarer Energie hergestellter, sogenannter grüner Wasserstoff, soll in Zukunft ein Schlüssel sein, um das Tor in eine nachhaltigere und klimafreundlichere Energiewirtschaft zu öffnen. Wasserstoffgas kann man übrigens auch nicht riechen. Und an der Luft ist es leicht entzündlich und hochexplosiv. Historische Ereignisse, man denke an die Explosion des Luftschiffs „Hindenburg“ und kürzlich auch die Explosion einer Wasserstoff-Tankstelle in Norwegen sind bedenklich und zeigen, wie wichtig Sicherheitsvorkehrungen sind, um diesen Weg der Energieversorgung ohne Stolpersteine zu gehen.

Um die Sicherheit im Umgang mit Wasserstoff für die Zukunft zu erhöhen, hat man am FAU, ausgehend von einem Konzept, das am Fraunhofer Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg entwickelt wurde, die grundsätzlichen Funktionsmechanismen für einen neuartigen Wasserstoffsensor erforscht. Solche Sensoren könnten bereits geringe Konzentrationen von eventuell ausgetretenem Wasserstoffgase, zum Beispiel bei einem Leck in der Leitung, sicher erkennen.

Wasserstoffgas mit bloßem Auge sehen – und zwar stromlos

Der neuartige Wasserstoffsensor der FAU-Forschenden macht, wie die Beteiligten betonen, ohne Strom oder komplexe Messgeräte, das Wasserstoffgas nun doch für das bloße Auge sichtbar. Die dafür entwickelten Suprapartikel messen nur zwischen einem und zehn Mikrometer (zur Erinnerung: ein Mikrometer ist ein Tausendstel Millimeter). Sie bestehen, wie es weiter heißt, unter anderem aus dem violetten Indikatorfarbstoff Resazurin, ein blauer Farbstoff, der ungiftig und wasserlöslich ist. Wird er chemisch reduziert, wird er pink und fluoresziert auch noch.

Das passiert auch in Kontakt mit Wasserstoff! Die Farbstoffmoleküle der Resazurin reagieren also mit den Gasmolekülen. Sie verfärben sich für das Auge dabei sichtbar in zwei Stufen: 1. Wird der Sensor pink, ist nur einmalig Wasserstoff ausgetreten, nun nicht mehr. 2. Tritt doch noch Wasserstoff aus, ist der Sensor mit viel Wasserstoff in Berührung. Er wird dann farblos. Lecks seien aufgrund der sofortigen Reaktion, die im Sensor stattfindet, in Echtzeit erkennbar.

So geht`s: Das Suprapartikel ist porös und besteht Nanopartikeln aus Silica und Gold-Palladium sowie dem Indikatorfarbstoff Resazurin. Es ist in der Lage aus feuchter Luft Wasser zu absorbieren. Damit wird ein 3-Phasen-System erzeugt, in dem sich die Farbstoffmoleküle frei bewegen können. Stößt Wasserstoff darauf, kommt es zu einem irreversiblen Farbumschlag in Echtzeit.
So geht`s: Das Suprapartikel ist porös und besteht Nanopartikeln aus Silica und Gold-Palladium sowie dem Indikatorfarbstoff Resazurin. Es ist in der Lage aus feuchter Luft Wasser zu absorbieren. Damit wird ein 3-Phasen-System erzeugt, in dem sich die Farbstoffmoleküle frei bewegen können. Stößt Wasserstoff darauf, kommt es zu einem irreversiblen Farbumschlag in Echtzeit.
(Bild: FAU / K. Mandel)

Lecks in Wasserstoffsysteme in Echtzeit sehen

Ein weiterer Vorteil des neuartigen Wasserstoffsensors ist seine geringe Größe. Wegen dieser kann er in vielen Bereichen, zum Beispiel für die Beschichtung von Leitungen, eingesetzt werden. Das so gewonnene mechanistische Verständnis über das neue Partikelsystem wird es laut Meinung der Forschenden an der FAU auch ermöglichen, die Superpartikel weiter zu optimieren, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Auch andere Anwendung seien denkbar, um damit einen Beitrag zu einer sichereren Wasserstoffwirtschaft zu leisten.

Die Publikation erfolgte durch Simon Schötz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Katalytische Grenzflächenforschung, und Jakob Reichstein, Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Professur für Anorganische Chemie.

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