Drohne auf Methanjagd

Methan ist einer der Haupt­verursacher der globalen Erwärmung, dennoch ist der Beitrag der einzelnen Methan­quellen noch immer nicht exakt bekannt. Eine solche Quantifizierung wäre allerdings dringend nötig, um Maßnahmen zu ergreifen, mit denen die Klimaziele der Vereinten Nationen erreicht werden können. Im Rahmen des Horizon2020-Projektes MEMO2 – Methane goes Mobile, Measurements and Modelling – fokussieren sich zwanzig Forschungs­gruppen aus sieben Ländern auf die Ermittlung der Methan­quellen und die Quanti­fizierung von deren Emissionen mittels mobiler Analys­egeräte – darunter auch die Empa in der Schweiz.

Einen besonderen Fokus legten die Forscher auf Rumänien. Mit seinen zahlreichen Öl- und Gasfeldern ist das Land eine der Hauptquellen der euro­päischen Methan­emissionen. Methan tritt über die Bohrschächte dieser Felder an die Oberfläche und entweicht teilweise in die Atmosphäre. Bislang konnten sehr genaue Methan­messungen nur mit stationäre Messgeräte durchgeführt werden. Diese werden zwar manchmal in Fahrzeuge eingebaut, können dann aber nur genau entlang der Straße eingesetzt werden – ein aufwändiges und unbe­friedigendes Unterfangen.

Empa-Forschern gelang es nun jedoch, ein präzises und leichtes Messgerät zu entwickeln, das auf eine Drohne montiert werden kann um die CH₄-Konzen­trationen zu messen und damit die Emissionen zu bestimmen. „Das neue Spektro­meter ist ein Durchbruch in der Analytik von Spurengasen bezüglich Mess­genauigkeit, Größe und Gewicht“, erklärt Lukas Emmenegger, Leiter der Abteilung Luft­fremdstoffe / Umwelttechnik. Um das Methan zu quantifizieren, nutzen Emmenegger und sein Team einen Quanten­kaskaden-Laser. Mit Hilfe des auf der Drohne montierten Spektro­meters kann die drei­dimensionale Verteilung von Methan in der Umgebung einer Quelle bestimmt werden. Kombiniert man diese Daten mit Wind­messungen, dann können die Forscher daraus die Emission einer Quelle berechnen.

Die Drohne hat zudem den Vorteil, dass sie Messungen an vom Boden aus schwer zugäng­lichen Orten erlaubt. So lassen sich mit der Drohne etwa größere Quellen oder Teile von Ölfeldern überfliegen um daraus zu bestimmen, an welchen Orten Methan in welchen Mengen an die Oberfläche gelangt. Mit solchen detaillier­ten Messungen lassen sich künftig konkrete Maßnahmen treffen und überprüfen, um die Methan­emissionen weiter einzudämmen. Daran ist auch die Industrie interes­siert, bestätigt Emmenegger. „Unsere neue Messtechnik hat schon zu zahl­reichen Anfragen aus Industrie und Forschung geführt. Daraus ergeben sich viele spannende Projekte im Bereich der natürlichen und vom Menschen verursachten Methan­quellen.“

Doch nicht nur Methan steht auf der Liste der Umwelt­schadstoffe. Dazu gehören auch Kohlen­dioxid, Ozon und Ammoniak. Instrumente, die diese Gase messen können, sind jedoch komplex, teuer und benötigen viel Energie, denn jedes Gas muss mit einer separaten Methode gemessen werden – zumindest bis jetzt. Die beiden ehemaligen Empa-Forscher Morten Hundt und Oleg Aseev haben ein QCL-Spektro­meter entwickelt, das zehn Umweltgase gleichzeitig detektieren kann. Vor kurzem gründeten sie damit das Spin-off MIRO Analytical Techno­logies und konnten bereits zahlreiche Erfolge feiern. Unter anderem erhielten sie Anfang 2020 im Rahmen des Acce­lerator-Programms des European Innovation Council 1.25 Millionen Euro an Fördergeld. Zudem sind sie seit Januar 2019 Teil des Business Inkubators der Euro­päischen Raumfahrt­behörde ESA, denn ihr High-Tech-Sensor kann als wichtige Referenz – am Boden oder flugzeugg­estützt – für die Beobachtung von Umweltgasen mittels Satelliten dienen.

Die Esa setzt bei den Vorbereitungen für die CO2M-Satelliten­mission – Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring – ebenfalls auf die Expertise der Empa. Ab 2025 sollen die ersten CO2M-Satelliten in den Orbit geschickt werden, die mit Hilfe von spektro­skopischen Messungen globale Karten der CO2-Konzen­trationen in der Atmosphäre erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wieviel CO₂ von Industrie­anlagen, Städten und Ländern emittiert wird. „Wir konnten der Esa verschiedene Empfeh­lungen für die analytische Ausstattung der Satelliten geben“, so Gerrit Kuhlmann. So muss der Satellit etwa in der Lage sein, die vom Mensch erzeugte CO₂-Emission von den Signalen der Biosphäre zu unterscheiden.

Die Idee dahinter: Ein kombiniertes Messgerät, das CO₂, aber auch zusätzlich Stickstoff­dioxid detektiert. „Bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht nämlich nicht nur CO₂, sondern auch große Mengen an Stickoxiden, nicht jedoch bei der natürlichen Atmung der Biosphäre, die aus­schließlich CO₂ produziert“, so Kuhlmann. Ein zusätz­liches NO₂-Instrument sollte also in der Lage sein, anthropogene und bio-sphärische CO₂-Signale voneinander zu trennen. Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO₂- und der NO₂-Konzen­trationen für das Jahr 2015. Die aufwändigen Simulationen wurden auf dem Piz Daint-Super­computer am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano durchgeführt. Dabei konnten die Forscher zeigen, dass eine Kombination der Messungen von CO₂ und NO₂ bessere und verläss­lichere Resultate liefert, als wenn nur ein CO₂-Messgerät auf dem Satelliten verbaut wäre. Die Empfehlung für den Einbau eines zusätz­lichen NO₂-Mess­instruments wurde von der Esa bereits in die Planung der neuen Satelliten übernommen.

Empa / JOL

Weitere Infos

• Abt. Luftfremdstoffe / Umwelttechnik, Empa, Dübendorf, Schweiz