Ein Forschungsteam der East China Normal University hat ein fahrzeugbasiertes Messsystem entwickelt, das Methan während der Fahrt in Echtzeit erfassen und räumlich zuordnen kann. Die Technologie könnte künftig insbesondere bei der Suche nach schwer auffindbaren Leckagen in Gasnetzen sowie bei der großflächigen Überwachung industrieller Emissionsquellen eingesetzt werden.

Methanemissionen stellen nicht nur ein klimapolitisches Problem dar. Undichte Erdgasleitungen können gleichzeitig erhebliche Brand- und Explosionsrisiken verursachen. Da austretendes Methan für das menschliche Auge unsichtbar ist und sich abhängig von Wind und Umgebung schnell verteilt, ist die Lokalisierung kleiner oder unterirdischer Leckagen bislang technisch aufwendig.

Forscher der East China Normal University haben deshalb ein mobiles Spektroskopie-System entwickelt, das hochpräzise Gasmessungen direkt aus einem fahrenden Fahrzeug heraus ermöglicht. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Optics Express veröffentlicht.

Das System basiert auf sogenannter Mid-Infrared Dual-Comb Spectroscopy. Dabei werden zwei präzise abgestimmte optische Frequenzkämme eingesetzt. Da verschiedene Moleküle im mittleren Infrarotbereich charakteristische Absorptionsmuster besitzen, lassen sich Gase anhand ihrer spektralen Signaturen mit hoher Empfindlichkeit unterscheiden.

Messungen bis 100 km/h

Eine zentrale Herausforderung bestand darin, die bislang vor allem unter kontrollierten Laborbedingungen eingesetzte Technologie für den mobilen Betrieb robust genug zu machen. Vibrationen, wechselnde Temperaturen, Fahrzeugbewegungen und andere Umwelteinflüsse können die empfindlichen optischen Messungen beeinträchtigen.

Die Wissenschaftler entwickelten deshalb vibrationsresistente Faserlaser und ein Verfahren, mit dem sich beide Frequenzkämme ohne zusätzliche komplexe Hardware synchronisieren lassen. Ergänzt wird das System durch eine kompakte Open-Path-Gaszelle. Sie erzeugt einen effektiven optischen Messweg von 25 Metern durch die angesaugte Umgebungsluft und erhöht dadurch die Messempfindlichkeit.

Nach Angaben des Forschungsteams kann die Plattform auch bei Fahrzeuggeschwindigkeiten von bis zu 100 km/h eingesetzt werden. Gleichzeitig lassen sich auffällige Konzentrationen über GPS-Daten räumlich erfassen. Denkbar wäre damit beispielsweise, kommunale Gasnetze systematisch abzufahren und ungewöhnliche Methankonzentrationen unmittelbar einer Position zuzuordnen.

47 Kilometer Praxistest

Erste Versuche fanden zunächst auf einem Universitätsgelände mit einer Fahrgeschwindigkeit von rund 20 km/h statt. Anschließend absolvierte das System einen einstündigen Straßentest über 47 Kilometer auf Stadtstraßen und Schnellstraßen. Die Messwerte wurden dabei im Sekundentakt aufgezeichnet.

Die Methankonzentration konnte mit einer Präzision von 66 ppb bestimmt werden, während die Präzision für Wasserdampf bei 114 ppm lag. Während der längeren Messfahrt ermittelten die Forscher eine durchschnittliche Methankonzentration der Umgebungsluft von 1,815 ppm. Die stabilen Hintergrundwerte ermöglichen es, lokale Konzentrationsanstiege und damit potenzielle Emissionsquellen zu identifizieren.

Zusätzlich führte das Team kontrollierte Freisetzungsversuche mit Methan durch. Das Fahrzeug passierte dabei zwei simulierte Leckagen. Beide Gasfahnen konnten erkannt und räumlich lokalisiert werden. Bei einer weiteren Versuchsanordnung umrundete das Fahrzeug eine Emissionsquelle mehrfach. Aus den Messdaten entstand eine zweidimensionale Karte der Methanverteilung, deren Verlauf weitgehend mit den lokalen Windbedingungen übereinstimmte.

Von Gasleitungen bis Landwirtschaft

Der mögliche Einsatzbereich geht deutlich über die Kontrolle kommunaler Erdgasleitungen hinaus. Mobile Messplattformen könnten beispielsweise Deponien, Viehzuchtbetriebe, Kohlebergwerke sowie Öl- und Gasförderanlagen überwachen. Gerade bei räumlich verteilten Emissionsquellen könnte ein fahrzeugbasiertes System wesentlich größere Gebiete erfassen als stationäre Sensoren.

Gleichzeitig sehen die Forscher Potenzial für ein automatisiertes Leckagemanagement. Ein Messfahrzeug könnte beispielsweise eine erhöhte Methankonzentration erkennen, deren GPS-Position dokumentieren und anschließend Wartungsteams auf einen möglichen Defekt hinweisen. Eine präzisere Lokalisierung würde gezielte Reparaturen erleichtern und gleichzeitig Gasverluste reduzieren.

Auch für die Erfassung von Treibhausgasemissionen könnte die Technik relevant werden. Kommunen und Industrieunternehmen benötigen zunehmend belastbare Daten darüber, wo Methan entsteht und in welchen Mengen es freigesetzt wird. Mobile Messsysteme könnten bestehende stationäre Überwachungskonzepte dabei um eine flexible Erfassungsebene ergänzen.

Drohnen als nächster Entwicklungsschritt

In weiteren Entwicklungsstufen wollen die Wissenschaftler die spektrale Bandbreite vergrößern. Dadurch sollen künftig mehrere Spurengase gleichzeitig erfasst werden können. Außerdem sollen langfristige Messabweichungen weiter reduziert und automatisierte Analyseverfahren für große Mengen mobiler Messdaten entwickelt werden.

Parallel arbeitet das Team an einer weiteren Miniaturisierung der Plattform, um Größe, Gewicht und Kosten zu senken. Langfristig soll das Messprinzip auch auf unbemannte Luftfahrzeuge übertragen werden. Drohnen könnten dann beispielsweise Pipeline-Trassen, Industrieflächen oder andere schwer zugängliche Gebiete auf Methanemissionen untersuchen.

Damit entwickelt sich die Gasdetektion zunehmend von einzelnen stationären Messpunkten hin zu mobilen, georeferenzierten Überwachungssystemen. Für Betreiber kritischer Gasinfrastrukturen verbindet die Technologie dabei zwei Ziele: Methanemissionen schneller sichtbar zu machen und sicherheitsrelevante Leckagen gezielter lokalisieren zu können.