Die präzise Messung von Spurengasen ist für den Klimaschutz, industrielle Prozesse und die Sicherheit kritischer Infrastrukturen von zentraler Bedeutung. Bisher erforderte sie jedoch teure und große Geräte. Einem Team des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM ist es nun mit der industrietauglichen Weiterentwicklung eines bekannten Messverfahrens gelungen, hochsensible Gassensorik in ein robustes und kompaktes Format zu überführen – zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten.
Photoakustik für industrielle Praxis
Die Photoakustik ist seit über 150 Jahren bekannt. Werden Gase mit Licht bestrahlt, erwärmen sie sich. Tut man dies gepulst, entstehen periodische Druckänderungen, also Schallwellen, die sich eindeutig einzelnen Gasen zuordnen lassen. Dieser photoakustische Effekt bildet die Grundlage für ein hochpräzises Messverfahren, selbst bei geringen Gaskonzentrationen. Doch trotz ihrer hohen Sensitivität fristete die Methode bislang ein Nischendasein – vor allem, weil sie auf akustische Verstärkung durch einen Resonator angewiesen ist. Dieser reagiert sehr empfindlich auf kleinste Veränderungen des Luftdrucks, der Temperatur oder mechanische Beanspruchung. Für ein korrektes Messergebnis muss das System den „Ton“, also die Resonanzfrequenz, exakt treffen.
Eine Leuchtdiode macht den Unterschied
Genau hier erzielte das Team um Dr. Christian Weber, Dr. Katrin Schmitt und Dr. Johannes Herbst vom Fraunhofer IPM einen Durchbruch: Die Forschenden entwickelten ein Sensorprinzip, bei dem eine kleine Leuchtdiode fortlaufend die eigene Resonanzfrequenz bestimmt und die optische Anregung automatisch nachführt. Dabei machte das Team aus der Not eine Tugend: „Die Wand des Sensors absorbiert Strahlung und erzeugt ein starkes photoakustisches Signal – ein vermeintlicher Nachteil, der uns umdenken ließ: Maybe it’s a feature! Jetzt verwenden wir die Wand in Verbindung mit einer zweiten Lichtquelle, um in kurzer Zeit die Resonanzfrequenz zu messen“, so Christian Weber, Projektleiter Integrierte Sensorsysteme am Fraunhofer IPM. Die Resonanzverstärkung bleibt so jederzeit stabil – auch unter wechselnden Bedingungen. Gleichzeitig ermöglicht der geringe Hardwareaufwand Sensorpreise, die bei etwa einem Zehntel der herkömmlichen Geräte liegen.
Methan-Alarm im Miniaturformat
Welche Wirkung diese Vereinfachung entfaltet, zeigt die erste große Anwendung: Die Firma Schütz Messtechnik nutzt die Technologie bereits zur Überprüfung von Erdgasnetzen. Dort müssen geringste Methanmengen in der Luft erkannt werden, um Leckagen frühzeitig aufzuspüren. „Dank des kleinen Messkammer-Volumens von rund vier Millilitern statt den bisher notwendigen vier Litern sind die Messungen nun sehr schnell und präzise“, betont Johannes Herbst, Projektleiter Spektroskopie und Prozessanalytik am Fraunhofer IPM. „Mit ihrer geringen Größe sind die Systeme zudem wesentlich mobiler und flexibler einsetzbar.“ Ein weiteres Anwendungsfeld ist die gasisolierte Hochspannungsanlage, in der die neue Sensorik erstmals eine dauerhafte, integrierte Überwachung der Schutzgasqualität ermöglicht – eine wichtige Voraussetzung für eine zuverlässige Überwachung und mehr Betriebssicherheit.
Vom Labor auf den Markt
Die schnelle Marktreife wurde durch die enge Zusammenarbeit von Christian Weber, der kürzlich für seine Promotion zur Photoakustik mit dem Hugo-Geiger-Preis 2025 ausgezeichnet wurde, Katrin Schmitt, Gruppenleiterin Thermische Messtechnik und Systeme, sowie Johannes Herbst, der über das für den Transfer erforderliche Fachwissen in der Laserspektroskopie verfügt, erreicht. Das Team wurde von zahlreichen Kolleginnen und Kollegen unterstützt, die maßgeblich zum Erfolg der Lösung beitrugen.
Das prämierte Sensorprinzip zeigt exemplarisch, wie aus exzellenter Forschung technologische Wirkung entsteht: „Es ist immer großartig, wenn man ein fertiges Produkt sieht und sagen kann: Hier steckt ein Stück Fraunhofer drin“, freut sich Katrin Schmitt. Die Methangas-Sensoren sind dabei erst der Anfang, denn zahlreiche weitere Applikationen der resonanten Photoakustik sind bereits absehbar – von der industriellen Prozessüberwachung bis hin zur Umweltmesstechnik an viel befahrenen Straßen. Mit ihrer robusten, selektiven und kostengünstigen Funktionsweise hat die Technologie das Potenzial, die Gassensorik grundlegend zu verändern.
