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Analysengerät
für Kohlendioxid-Isotope auf dem Jungfraujoch
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CO2-Quellen
auf der Spur
Woher
kommt das Kohlendioxid in der Atmosphäre? Und welchen Einfluss haben menschliche Aktivitäten auf die Konzentration
von CO2, dem wichtigsten Treibhausgas? Wie viel davon ist biologischen
Ursprungs? Und wo genau entsteht das CO2?
Diese Fragen möchten Empa-Forscher
beantworten. Sie nahmen deshalb vor kurzem auf dem Jungfraujoch das weltweit
erste CO2-Isotopenmessgerät in Betrieb. Mit diesem können sie sowohl den Ursprung als auch die
geographische «Herkunft» der aufgespürten Kohlendioxid-Moleküle
aufklären.
Das
vom Menschen durch Verbrennen von Erdgas und Erdöl entstehende Kohlendioxid
(CO2) gilt als Hauptursache für die globale Erwärmung. «Um
den globalen Zyklus zu verstehen, müssen wir allerdings zuerst einmal
herausfinden, mit welchen CO2-Molekülen wir es überhaupt zu tun
haben», sagt Lukas Emmenegger, Chemiker in der Abteilung «Luftfremdstoffe / Umwelttechnik»
der Empa. «Wir müssen wissen, durch welche Prozesse die Kohlendioxid-Moleküle
entstanden sind.» Ein neues, einzigartiges Gerät soll Erklärungen
liefern, wie viel des weltweiten CO2 fossilen Ursprungs ist - beziehungsweise
durch rein biologische Prozesse in die Atmosphäre gelangt.
Emmenegger
und sein Team entwickelten deshalb zusammen mit dem Neuenburger Unternehmen
Alpes Lasers und Aerodyne Research, einem Industriepartner aus den USA,
ein Spektrometer zur kontinuierlichen Messung stabiler Kohlendioxid-Isotope.
Finanziert wurde das Projekt vom Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantenphotonik
(NCCR QP) und dem Bundesamt für Umwelt (BAFU). Seit August 2008 ist
das so genannte Quantenkaskadenlaser-Spektrometer auf dem Jungfraujoch im Einsatz - und liefert nonstop - in Echtzeit - Messwerte via Internet
direkt in die Empa-Labors in Dübendorf.
| Jedes
Kohlendioxidmolekül besitzt eine unverwechselbare Isotopensignatur |
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Denn
Kohlendioxid entsteht nicht nur beim Verbrennen fossiler Brennstoffe. Weltmeere
liefern eine Menge CO2, und auch Pflanzen, Bakterien und andere Lebewesen
produzieren das Klimagas, ein Endprodukt sämtlicher Atmungsprozesse.
Natürlich interessiert der anthropogene Anteil - das vom Menschen
verursachte CO2 - die ForscherInnen (und die PolitikerInnen) besonders.
Um die verschiedenen CO2-Quellen und -Senken dingfest zu machen, kommt
ihnen die Natur zu Hilfe: Kohlendioxidmoleküle aus Verbrennungsprozessen
unterscheiden sich von «biologisch produziertem» CO2 in ihrer
«Isotopensignatur»;
die Kohlenstoff-und Sauerstoffatome, aus denen Kohlendioxid besteht, haben
je nach dessen Ursprung leicht unterschiedliche Zusammensetzungen. Um diese
zu messen, wird das Verhältnis zweier verschiedener Typen von Kohlenstoff-und
Sauerstoffatomen bestimmt, die in den CO2-Molekülen auftreten.
Deshalb
nimmt Markus Leuenberger von der Universität Bern seit einigen Jahren
regelmässig Luftproben auf dem Jungfraujoch und bestimmt deren CO2-Isotopensignatur.
Zur Auswertung müssen die einzelnen Stichproben jeweils in ein Labor
mit geeignetem Massenspektrometer gebracht werden. Mit dem neuen an der
Empa entwickelten Quantenkaskadenlaser-Spektrometer werden die Messungen
nun vollautomatisch mehrmals pro Minute durchgeführt; die Messwerte
können bequem über eine Internetverbindung ausgewertet werden.
| Wie
kam das Kohlendioxid in die Atmosphäre? |
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Doch
damit (noch) nicht genug. Die Empa-Forscher wollen auch wissen, wo grössere
CO2-Quellen lokalisiert sind. «Es reicht nicht zu wissen, wie viele
der unterschiedlichen CO2-Moleküle sich in den Luftproben befinden»,
sagt Empa-Wissenschaftler Emmenegger. «Wir wollen auch herausfinden,
woher diese stammen.» Hier hilft ihm ein weiterer Forschungsschwerpunkt
der Empa-Abteilung «Luftfremdstoffe/Umwelttechnik» weiter -
das Modellieren von atmosphärischen Strömungen.
Durch die Analyse
vergangener Wetterlagen und Luftbewegungen lässt sich der von den
Luftmassen zurückgelegte Weg berechnen. Werden die Kohlendioxid-Isotopenmessungen
mit Messungen anderer Schadstoffe ergänzt und mit Wettermodellen kombiniert,
so ergibt sich eine Bildfolge. Emmenegger: «Indem wir den Film rückwärts
laufen lassen, können wir Quellen und Senken des Kohlendioxids identifizieren.»
Die
Auswertung der Daten steht noch am Anfang. «In einem Jahr werden
wir unsere Ergebnisse präsentieren können», meint Emmenegger.
«Wir werden sagen können, welcher Anteil des Kohlendioxids ozeanischen
Ursprungs ist, wie viel durch Photosynthese oder durch die Verbrennung
fossiler Brennstoffe entstanden ist.»
Die
Messstation auf dem Jungfraujoch, wo auch das neue Isotopenmessgerät
steht, ist eine wichtige Station für die Beobachtung von zahlreichen
weiteren Luftfremdstoffen. Sie ist eingebunden in schweizweite und internationale
Netzwerke und liefert Daten für das «Nationale Beobachtungsnetz
für Luftfremdstoffe» (NABEL) sowie für das weltumspannende
«Global Atmospher Watch Programme» (GAW) der Weltorganisation
für Meteorologie (WMO).
| Quantenkaskadenlaser-Spektrometer |
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| Messgerät
wurde von der Empa-Forschungsgruppe von Lukas Emmenegger in Zusammenarbeit
mit Aerodyne Research entwickelt. Möglich war dies dank dem neuartigen
Quantenkaskaden-Laser der Neuenburger Firma Alpes Lasers.
Die
zu messenden Gasproben werden kontinuierlich in eine Kammer des Quantenkaskadenlaser-Spektrometers
geleitet. Dort werden sie dank der Absorption des eigens entwickelten Quantenkaskadenlaserstrahls
gemessen. |
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Die
absorbierten Photonen setzen ihren Weg zum Detektor nicht mehr fort und
werden daher als «fehlend» erkannt. Daraus lässt sich
auf die Präsenz bestimmter Gasmoleküle schliessen.
| Quelle:
Text Empa, Luftfremdstoffe/Umwelttechnik, November 2008 |
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| Innovative
Forschung an der ETH Zürich |
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| Kohlendioxid-Speicherung
durch Mineralisierung |
Kohlendioxid-Speicherung
durch Mineralisierung |
Die
ETH betreibt intensiv Forschung mit dem Ziel, neue Lösungen und Wege
zu finden, um der CO2-Problematik zu begegnen. Prof. Marco Mazzotti vom
Institut für Verfahrenstechnik erforscht die Möglichkeiten, CO2
in fossil befeuerten Kraftwerken abzuscheiden und chemisch in stabile feste
Substanzen einzubinden. Diese sogenannte Mineralisierung ermöglicht
eine dauerhafte und sichere Lagerung
des Treibhausgases.
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