8. Mai 2017

Mit dem La­ser­strahl Ge­fahr­stof­fe be­stim­men

Ex­pe­ri­men­tel­ler Auf­bau für die Stand-Off-De­tek­ti­on
Bild 1/2, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Experimenteller Aufbau für die Stand-Off-Detektion

Ex­pe­ri­men­tel­ler Auf­bau für die Stand-Off-De­tek­ti­on von Ge­fahr­stof­fen mit­tels La­ser-in­du­zier­ter Fluo­res­zenz
Stand-Off De­tek­ti­on auf der La­ser­frei­strahl­stre­cke in Lam­polds­hau­sen
Bild 2/2, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Stand-Off Detektion auf der Laserfreistrahlstrecke in Lampoldshausen

STA­BIL (Stand-off Alarm Bio LIF) be­wies die Mach­bar­keit der fluo­res­zenz­ba­sier­ten De­tek­ti­on, in­dem auf der Frei­strahl­stre­cke un­ter­schied­li­che bio­or­ga­ni­sche Stof­fe aus ei­ner Di­stanz von 20 Me­tern er­folg­reich klas­si­fi­ziert wur­den

  • Das DLR-Institut für Technische Physik erforscht unter der Leitung von DLR-Wissenschaftler Dr. Frank Duschek die Auswirkungen realer Umweltbedingungen auf die Ausbreitung und Wirkung von Laserstrahlen. Auf einer 130 Meter langen, optischen Freistrahlstrecke am DLR-Standort Lampoldshausen testen die Forscher den Einsatz unterschiedlicher Laser über große Entfernungen. Ein Schwerpunkt dieser Forschung ist die Möglichkeit, Gefahrstoffe mit Hilfe eines Lasers aus der Ferne zu entdecken: die Stand-off-Detektion.

Industrieunfall, Naturkatastrophe oder Anschlag – wenn chemische, biologische oder explosive Stoffe unbeabsichtigt oder absichtlich freigesetzt werden, kann die Gefahr für Bevölkerung und Einsatzkräfte schnell sehr groß werden. Die rasche und zuverlässige Bestimmung der gefährdenden Substanz ist für die Wahl der richtigen Schutz- und Hilfsmaßnahmen sehr wichtig. Ein interdisziplinäres Team aus acht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet deshalb an einem neuen Verfahren, das Gefahrstoffe mit Hilfe von Laserstrahlung aus sicherer Entfernung erkennt.

Das DLR-Institut für Technische Physik erforscht unter der Leitung von DLR-Wissenschaftler Dr. Frank Duschek die Auswirkungen realer Umweltbedingungen auf die Ausbreitung und Wirkung von Laserstrahlen. Auf einer 130 Meter langen, optischen Freistrahlstrecke am DLR-Standort Lampoldshausen testen die Forscher den Einsatz unterschiedlicher Laser über große Entfernungen. Ein Schwerpunkt dieser Forschung ist die Möglichkeit, Gefahrstoffe mit Hilfe eines Lasers aus der Ferne zu entdecken: die Stand-off-Detektion.

Schnell, präzise und zuverlässig detektieren

Um ein mögliches Gefahrenszenario richtig einzuordnen, muss ein Detektionsverfahren folgende Aussagen schnell, zuverlässig und präzise zur Klassifizierung, Identifizierung und Quantifizierung liefern: Ist ein Gefahrstoff vorhanden? Handelt es sich um eine chemische, biologische oder explosive Substanzen? Welche Stoffe wurden eingesetzt? Und: In welcher Menge und Entfernung liegt diese Substanz vor?

Vereinfacht lässt sich das Prinzip der laserbasierten Detektion wie folgt beschreiben: Ein speziell entwickelter Laser sendet einen Laserstrahl aus. Laserstrahlung kann vereinfacht als stark gebündeltes Licht verstanden werden, kann aber auch in nicht sichtbaren Spektralbereichen wie Mikrowellen, Infrarot, Ultraviolett und Röntgen erzeugt werden. Der Laserstrahl trifft auf das Untersuchungsobjekt und löst dort einen physikalischen Effekt aus. Die Probe kann das Licht zum Beispiel aufnehmen und leicht verändert wieder abstrahlen (Fluoreszenz), oder sie streut das Licht auf eine bestimmte Weise. Das abgestrahlte oder gestreute Licht wird mit einem Teleskop beobachtet und mit einem Spektrometer analysiert. Es zeigt sich eine spektrale Signatur der Probe, die Rückschlüsse über die Substanz oder Substanzklasse und die Menge der Probe zulässt.

Analyse des leuchtenden Plasmas

Erste Schritte machte das Team in der Ferndetektion von chemischen Gefahrstoffen und Explosivstoffen wie Schwarzpulver und TNT durch laserinduzierte Plasmaspektroskopie (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS). Dabei wird ein intensiver Laserstrahl auf der Probe so fokussiert, dass ein kleiner Teil verdampft und ein leuchtendes Plasma entsteht, dessen Spektrum charakteristisch für die in der Probe enthaltenen chemischen Elemente ist. Wegen der für die Plasmaerzeugung benötigten hohen Energie ist dieses Verfahren jedoch nicht augensicher und daher für den Ernstfall ungeeignet. Alternative Ansätze mit geringerer Energie gibt es hier mit der Raman-Spektroskopie, bei der das an der Probe gestreute Licht analysiert wird, was eine sehr genaue Einordnung zulässt.

Bakterien, Pflanzen, Chemikalien und Öle

Bei der Detektion biologischer Gefahrstoffe arbeiten die Wissenschaftler derzeit an der Nutzung der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Laser im ultravioletten Bereich regen die Fluoreszenz biologischer Substanzen an, die sich in Spektrum und Dauer unterscheidet. Mit dieser Methode hat das Team im Sommer 2016 mit der Entwicklung und dem erfolgreichen Test eines ersten Detektionssystems einen wichtigen Meilenstein erreicht. STABIL (Stand-off Alarm Bio LIF) bewies die Machbarkeit der fluoreszenzbasierten Detektion, indem auf der Freistrahlstrecke unterschiedliche bioorganische Stoffe aus einer Distanz von 20 Metern erfolgreich klassifiziert wurden. 200 Proben wurden in vier Klassen eingeteilt: Bakterien/Pilze, Pflanzenmaterial, Chemikalien und Öle. Das System ordnete eine zufällig ausgewählte Probe innerhalb von fünf Sekunden mit hoher Zuverlässigkeit der richtigen Klasse zu. Dieses Frühwarnsystem der DLR-Wissenschaftler lässt sich optimal mit traditionellen, hochpräzisen Identifizierungsverfahren koppeln. Es liefert schnell Informationen über die Art und den Ort eines potenziellen Gefahrstoffs, so dass Sicherheitskräfte ihre Schutzausrüstung anpassen und den Suchradius zur Probennahme eingrenzen können.

Das Detektionssystem im Rollkoffer

Derzeit entwickelt das DLR-Team ein kompaktes, transportables System), das noch sensitiver und schneller arbeiten wird und zusätzlich automatisch einen Bereich nach Gefahrstoffen abscannen kann. Auch die Klassifizierungsmöglichkeiten wollen die Forscher voranbringen, um bei biologischen Stoffen auch zwischen einzelnen Bakterienstämmen sowie zwischen lebendem und inaktivem Material unterscheiden zu können. Zur Anzucht der nötigen Proben haben sie ein Labor für biologische Substanzen der Sicherheitsstufe 2 aufgebaut. „Im Idealfall haben unsere Detektionssysteme am Ende die Größe eines kleinen Rollkoffers, was zum Beispiel den mobilen Einsatz ermöglicht“, sagt Abteilungsleiter Frank Duschek. Bis die Technologie für solch eine mobile Anwendung zur Verfügung steht, vergehen seiner Meinung nach einige Jahre Forschungsarbeit – natürlich immer abhängig von der Finanzierung und dem Interesse von Unternehmen und Sicherheitsbehörden.

Sicherheitsforschung im DLR

In der Sicherheitsforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) werden die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten mit verteidigungs- und sicherheitsrelevantem Bezug in Abstimmung mit den Partnern in Staat, Wissenschaft, Industrie und internationalen Organisationen geplant und gesteuert. Der Querschnittsbereich Sicherheitsforschung verknüpft dabei die Kernkompetenzen aus den etablierten DLR-Programmen der Luftfahrt, Raumfahrt, Energie und des Verkehrs. Insgesamt mehr als zwanzig DLR-Institute und -Einrichtungen liefern im Rahmen ihrer sicherheitsrelevanten Arbeiten Beiträge zur Entwicklung, Erprobung und Bewertung von Technologien, Systemen und Konzepten sowie zur Analyse- und Bewertungsfähigkeit hinsichtlich sicherheitsrelevanter Anwendungen.

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