Spurengasdetektion – schnell und zuverlässig per resonanter Photoakustik

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Die präzise Messung von Spurengasen spielt eine zentrale Rolle für
Klimaschutz, industrielle Prozesse und die Sicherheit kritischer
Infrastrukturen. Bisher erforderte sie teure und große Geräte. Mit der
industrietauglichen Weiterentwicklung eines bekannten Messverfahrens ist
es einem Team des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM
nun gelungen, hochsensitive Gassensorik in ein robustes und kompaktes
Format zu überführen – zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten. Für diese
Leistung wurden die Forschenden mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2026
ausgezeichnet.

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 ist die Grundlage für ein
hoch präzises 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 von Luftdruck, Temperatur oder mechanische Beanspruchung.
Für ein korrektes Messergebnis muss das System aber 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 nun einen Durchbruch: Die
Forschenden entwickelten ein Sensorprinzip, das mittels einer kleinen
Leuchtdiode seine eigene Resonanzfrequenz fortlaufend selbst 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.

Erfolgreicher Marktstart mit Leckage-Messungen

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:
In gasisolierten Hochspannungsanlagen ermöglicht die neue Sensorik
erstmals eine dauerhafte, integrierte Überwachung der Schutzgasqualität –
eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige Überwachung und mehr
Betriebssicherheit.

Gebündeltes Know-how für den Technologietransfer

Die schnelle Marktreife gelang durch die enge Zusammenarbeit von Christian
Weber – für seine Promotion zur Photoakustik kürzlich mit dem Hugo-Geiger-
Preis 2025 ausgezeichnet –, Katrin Schmitt, Gruppenleiterin Thermische
Messtechnik und Systeme, sowie Johannes Herbst mit seinem für den Transfer
erforderlichen Fachwissen in der Laserspektroskopie. Unterstützt wurde das
Team von zahlreichen Kolleginnen und Kollegen, 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.