Jetzt wird die Atmosphäre unter die Lupe genommen

Die Ozonschicht in der Stratosphäre der Erde „schluckt“ UV-Strahlen und schützt auf diese Weise Menschen und Tiere vor Strahlenschäden. In Erdnähe, in der Troposphäre, ist Ozon hingegen sogar schädlich und eines der schlimmsten Treibhausgase. Die Effekte sind also höchst unterschiedlich und Ozon ist auch nur ein Beispiel von vielen – die Zusammensetzung der Atmosphäre und die Vorgänge in ihr haben jedoch große Auswirkungen auf unser Klima und unsere Umwelt. Darüber wissen wir heute aber noch viel zu wenig. Mit der Entwicklung einer neuartigen Laserstrahlung im Projekt „Elfis“ von Forscherin Birgitta Schultze-Bernhardt an der TU Graz könnte man bald genauer „hineinschauen“. Und man könnte künftig sogar herausfinden, was man aktiv beeinflussen kann. Der Projekttitel „Elfis“ steht dabei für „Electronic fin-gerprint spectroscopy“, denn die individuellen Absorptionseigenschaften der Gase sind quasi deren „Fingerabdruck“, sagt die Expertin.

Das „Schluckverhalten“ verrät viel

„Jede Materie verschluckt bestimmte Teile des Lichts. Und jede Materie macht es anders – nämlich ihren individuellen Eigenschaften entsprechend. Deshalb können wir Licht verwenden, um mehr über eine bestimmte Materie – und das können natürlich auch Gase sein – herauszufinden“, erklärt Birgitta Schultze-Bernhardt, die an den Instituten für Experimentalphysik und Materialphysik der TU Graz tätig ist. Ihr Forschungsziel ist die Entwicklung einer neuen Spektroskopie-Methode im UV-Bereich. Mit dieser Methode und in der Zusammenarbeit mit den Forschenden des Instituts für Geodäsie an der TU Graz nimmt sie nun unsere Atmosphäre unter die Lupe. Stichwort Teamarbeit: Auch die Expertinnen und Experten für Klimaforschung der Universität für Bodenkultur in Wien sind eingebunden. Schließlich sind die Erkenntnisse aus Graz in Hinblick auf den Klimawandel von großem Interesse.  

Einen Laser, der direkt UV-Licht erzeugt, gibt es bisher noch nicht. Interessant ist er unter ande-rem aus folgendem Grund: UV-Licht, das ja auch die Sonne ausstrahlt, setzt verschiedene chemische Reaktionen in Gang, die auch in unserer Atmosphäre passieren. Ein UV-Laser könnte diese Prozesse auch auslösen. Noch dazu können mit seiner Hilfe viele Informationen über die Gasproben auf einmal gesammelt werden, da der Laser viele unterschiedliche Farben gleichzeitig ausstrahlt. „Bei einem Gas sind diese Informationen sehr feine Absorptionslinien, die man erst einmal erkennen muss. Im Rahmen des von der EU geförderten Projektes Elfis schaffen wir das durch eine sehr hohe spektrale Auflösung“, betont die Physikerin der TU Graz die Innovation.

Physik in Graz: Umweltfaktoren analysieren

Die durch Licht ausgelöste chemische Reaktion erfolgt außerdem typischerweise unglaublich schnell. Genauer gesagt in einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Mit „Elfis“ kann man nun aber auch eine Art Zeitlupe dieser Vorgänge erzeugen und sie damit nachvollziehbar machen.

Dem Klimawandel entgegenwirken

Interessant sind diese Herausforderungen für die Grundlagenforschung. Doch liefert sie den Anstoß für viel mehr: „Wir entwickeln eine Methode, die für alltagsrelevante Fragen einsetzbar ist. Konkret können wir mit unserem Lasersystem in die Atmosphäre unserer Erde leuchten. Mit der hohen Auflösung schauen wir, was dort passiert und auch ob wir etwas beeinflussen können“, so Schultze-Bernhardt über ihr FWF START Projekt. Und was genau? Als Beispiel nennt sie die Ermittlung der NO2-Konzentration und das Ozon in der Atmosphäre. Ebenso Jod-Methan, das von Algen ausgestoßen wird, und Formaldehyd, das in Städten mit einem Smog-Problem verstärkt vorkommt. Kurz gesagt: Wesentliche Umweltfaktoren können damit überhaupt oder viel genauer unter die Lupe genommen werden. Das Potenzial der Methode ist enorm und könnte wesentlich zum Verständnis aber auch zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen.

Physik studieren in Graz: Die Alltagsrelevanz war übrigens auch der Grund, warum sich Birgitta Schultze-Bernhardt entschlossen hat, Physik zu studieren. „Physik hat mir immer gefallen, weil sie so vielseitig unterschiedlichste Phänomene aus dem Alltag erklären kann – vom Wetterleuchten über die Mikro-welle bis zum 3D-Kino.“ Und so ergeben sich auch in Zusammenhang mit dem Projekt „Elfis“ verschiedenste Einsatzmöglichkeiten: Gemeinsam mit Alexander Bergmann vom Institut für Elektronische Sensorsysteme an der TU Graz will Schultze-Bernhardt untersuchen, wie man Feinstaub-Aerosole, die bei der Bildung noch zu klein sind, um von einem Detektor erfasst zu werden, mit der optischen Methode schon früher erkennen kann. „Wir haben gesehen, welche Potenziale die Methode in anderen Bereichen hat – zum Beispiel kann sie feinste Konzentrationen in der Atemluft erkennen. Auch in Richtung Krebsforschung könnte es Ansatzpunkte geben, wenn man sich überlegt, dass man gesunde und kranke Zellen voneinander unterscheiden kann, weil ihre Absorption anders ist.“