Sensorik: Infrarotlicht-Milieu

Ein in den USA lebender österreichischer Chemiker entwickelte einen Minisensor zum Aufspüren von geringsten Giftmengen in Luft oder Trinkwasser und wird seither von Militärs und Sicherheitsbehörden umworben. Österreichische Forscher sind auch an der Anti-Terror-Forschung der EU federführend beteiligt.

Der Wissenschaft widerstrebt der inflationäre Gebrauch des Wortes Durchbruch. Und doch ist dem in den USA lebenden österreichischen Chemiker Boris Mizaikoff ein solcher gelungen. Er hat eine Sensormaschinerie, für die man bisher ein ganzes Labor benötigte, auf derart handliche Ausmaße verkleinert, dass sie praktisch in jede Damenhandtasche passt. Das Minigerät ist außerdem imstande, selbst geringste Spuren von Gift in der Atemluft oder im Trinkwasser und eventuell Sprengstoffspuren zu entdecken – Anwendungen, die verständlicherweise das Interesse von Industrie, Militärs und Sicherheitsbehörden wecken. Der US-Fernsehsender NBC widmete der Entwicklung Mitte August gar einen 2-Minuten-Bericht in seinen „Evening News“. In der Vorwoche stellte Mizaikoff seinen Giftsensor bei der von ihm geleiteten Gordon Research Conference für chemische Sensoren im britischen Oxford vor.

Der an der TU Wien ausgebildete 39-jährige Forscher ist Professor für analytische Chemie am Georgia Institute of Technology in Atlanta, einer der führenden Technik-Universitäten der USA. Dort leitet er das Applied Sensors Laboratory, eine Arbeitsgruppe, die sich mit der Entwicklung und Anwendung hoch empfindlicher Infrarotsensoren beschäftigt. Die Funktionsweise solcher Sensoren beruht auf einem ähnlichen Prinzip wie der Gaschromatograf: Bei Bestrahlung mit infrarotem Licht zeigt jedes Gas ein individuelles Lichtspektrum, das Rückschlüsse auf die chemischen Bestandteile des betreffenden Gases erlaubt. Während das Licht des sichtbaren Bereichs durch besonders kurze Wellenlängen gekennzeichnet ist (zwischen 400 und 700 Nanometer, 1 Nanometer = 1 Millionstelmillimeter), zeigt das Infrarotlicht eine viel größere Wellenlänge (drei bis 20 Mykrometer, 1 Mykrometer = 1 Tausendstelmillimeter).

Je größer jedoch die Wellenlänge des eingesetzten Lichts, desto geringer ist die Energie der einzelnen Lichtteilchen (Photonen). Das bedeutet: Wenn Photonen des infraroten Lichts auf ein Molekül treffen, dann bringen sie nicht etwa die Elektronen innerhalb der Moleküle zum Schwingen, sondern nur die verschiedenen chemischen Bindungen zwischen den Molekülen und damit indirekt auch die einzelnen Moleküle. Und jede dieser Schwingungen ist durch eine charakteristische Schwingungsfrequenz gekennzeichnet. Anhand dieses „Schwingungsfingerabdrucks“ lässt sich die Art des Moleküls bestimmen. Diese Technologie wird in voluminösen Laborgeräten schon seit Jahrzehnten angewendet. Sie hat nur neben den Ausmaßen der Geräte auch den Nachteil, dass sie einer komplizierten Auswertung bedarf und dass sie versagt, wenn Moleküle – etwa bei Giftstoffspuren – nur in geringer Dichte vorhanden sind.

Laser-Licht. „Wenn man sensitiver sein möchte und von immer weniger Molekülen das Schwingungsspektrum bestimmen will, dann benötigt man immer intensivere Lichtquellen“, erklärt Mizaikoff. „Und eine der intensivsten Lichtquellen, die wir kennen, ist natürlich der Laser.“ Aber gerade in dem für Hochleistungssensoren benötigten mittleren Infrarotfrequenzbereich gab es lange Zeit nur jenen relativ voluminösen Kohlendioxid-Laser, wie er bis heute als Lichtskalpell in der Chirurgie verwendet wird. Das änderte sich im Jahr 1994, als an den Bell Laboratories (heute Lucent Technologies) in Murray Hill, US-Bundesstaat New Jersey, der so genannte Quantenkaskaden-Laser entwickelt wurde (siehe Kasten links). Unter den damaligen Pionieren war übrigens auch die aus Salzburg stammende Mathematikerin und Physikerin Claire Gmachl, die sich heute an der Princeton University mit der Weiterentwicklung des Quantenkaskaden-Lasers beschäftigt – insbesondere auch zum Zweck des Aufspürens von Sprengstoffen.

Solche Quantenkaskaden-Laser kombiniert Mizaikoff mit einer neuen Generation von Lichtwellenleitern und einem nur einen Quadratmillimeter großen Sensor-chip. Sein Ziel ist es, für den Menschen hochgefährliche Stoffe wie etwa Giftgas in der U-Bahn, der Klimaanlage eines Gebäudes oder Chemikalien, die das Trinkwasser vergiften können, schon in geringsten Spuren zu entdecken und die Geräte immer weiter zu verkleinern. „Wir sind jetzt sowohl in der Gas- wie in der Flüssigphase in Konzentrationsbereiche vorgestoßen, die man bisher nur mit sehr viel größeren Geräten entdecken konnte, also im Bereich ppb (parts per billion, Teilchen pro Milliarde Teilchen, Anm.). Das ist etwa so, wie wenn man einen Zuckerwürfel im Becken eines großen Schwimmbads auflöst. Das ist schon eine extreme Verdünnung“, berichtet der Forscher. Und mit Ausmaßen von nur 20 Zentimetern sei die Apparatur bereits so klein, „dass man an Handheld-Geräte denken kann“.

Punktuelle Messung. Aber selbst der sensibelste und kleinste Sensor kann Giftstoffe nur punktuell entdecken. Das mag im kleinen Innenraum eines Panzers funktionieren, wo sich im Fall eines Giftgasangriffs durch einen Sensorausschlag die Luken der Außenluftzufuhr schließen und mitgeführte Sauerstoffpatronen öffnen lassen. Aber bei der Klimaanlage eines großen Gebäudes ist die Absicherung ungleich schwieriger. Die Antwort der Sicherheitsexperten heißt „Strategic Placement“ – die Positionierung von Giftdetektoren an Schlüsselpunkten von Versorgungssystemen.

Noch schwieriger erscheint die Absicherung einer U-Bahn-Station. Beim Giftgasanschlag der Aum-Sekte auf die Tokioter U-Bahn im Jahr 1995 deponierten die Täter Plastiksäckchen mit dem hochgiftigen Nervengas Sarin teils in U-Bahn-Zügen, teils in Abfalleimern von U-Bahn-Stationen. Mit spitzen Gegenständen stachen sie die Säckchen auf und entfernten sich. Die hochflüchtige farblose Flüssigkeit verdunstete rasch und verteilte sich in Zügen und Stationen. Das Gas wirkt über die Atemluft und über die Haut und führt binnen Sekunden zu Atem- und Muskellähmung. Kein noch so sensibler Sensor kann in so einem Fall Todesopfer verhindern. Man müsste alle Hallen und Gänge mit solchen Sensoren zupflastern, und selbst dann wäre etwa ein Alarmsignal eher kontraproduktiv – es würde nur eine Massenpanik auslösen. Die einzige Möglichkeit wäre – mit riesigem Aufwand an Material und Kosten –, über ein Netzwerk von hochsensiblen Sensoren ein leistungsfähiges Notentlüftungssystem anzuwerfen. Aber eine wirklich sinnvolle Idee ist wohl auch das nicht.

Außerdem würden Sensoren, die nur auf Giftstoffe reagieren, gar nichts ausrichten, wenn Terroristen etwa einen biologischen Kampfstoff verstreuen, der dann von U-Bahn-Zügen ins ganze Netz transportiert wird. Selbst Sensorentwickler Mizaikoff ist überzeugt, dass es „keine Sensortechnologie gibt, die alle ,War Agents‘ – chemische wie biologische – simultan erfassen kann. Das ist unrealistisch.“ So treten etwa biologische Komponenten wie Anthrax-Sporen, die vor drei Jahren in den USA mehrere Todesopfer gefordert hatten, auch in Form von Aerosolen (Schwebepartikel in der Luft) auf, für deren Entdeckung es bisher noch keine wirklich funktionierenden Sensoren gibt.

Industrielle Giftstoffe. Doch warum sollten Terroristen Stoffe einsetzen, die nur schwer zu beschaffen oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind, wenn es quasi gleich ums Eck Giftstoffe zu kaufen gibt, die ein beträchtliches Gefährdungspotenzial darstellen? Benzol beispielsweise ist ein Standardlösungsmittel der chemischen Industrie. Es ist ein hoch krebserregender Stoff, wie die strengen Trinkwassergrenzwerte der amerikanischen Umweltschutzbehörde Environmental Protection Agency (EPA) zeigen: Erlaubt sind nur wenige ppb. Terroristen, denen es gelänge, eine größere Menge dieses Lösungsmittels ins Trinkwassersystem einer Großstadt einzuspeisen, könnten mitunter eine Massenpanik auslösen.

Allerdings handelt es sich dabei um einen genau definierten Stoff, für den die Gruppe Mizaikoff bereits einen Sensor entwickelt hat. Da aber bei Weitem nicht alle möglichen Giftstoffe durch Detektoren identifizierbar sind, lautet das neue Zauberwort für eine realistische Überwachung von Systemen „Sensor Fusion“, also die Verschmelzung von verschiedenen Sensoren zu einem flexiblen Sensornetzwerk, das eine beständige Anpassung an neu auftretende Giftstoffe oder neue Bedrohungen ermöglicht. In jedem Fall kann die Sensorik jedoch nur Teil eines komplexen Sicherheitssystems sein, zu dem neben Sensoren als wichtiges Element auch so genannte „Smart Cams“ – intelligente Überwachungskameras – gehören (siehe auch Kasten links).

Mittlerweile denkt Mizaikoff bereits an neue Anwendungen seines Minisensors im medizinisch-diagnostischen Bereich. Wenn man den Sensor in ein Gerät nach Art eines Alkomaten einbauen würde, so könnte man dieses Gerät beispielsweise dazu nutzen, um eine Palette an Biomarkern in der Atemluft zu identifizieren und so eine mitunter schwer feststellbare Asthma-oder andere Atemwegserkrankung wie etwa bakterielle Infektionen zu diagnostizieren. Auch versucht Mizaikoff gerade auszuloten, ob es eventuell Biomarker geben könnte, die auf einen beginnenden Lungenkrebs hindeuten. Auch im Bereich Harn oder Blut könnte es unter Umständen medizinisch-diagnostische Anwendungen geben. Ursprünglich kommt Mizaikoff nicht aus dem Sicherheits-, sondern aus dem Analytikbereich. Erst die Veröffentlichung seiner Entwicklung in zwei renommierten amerikanischen Fachjournalen und in Publikumsmedien hat ihm „erhebliche Response aus dem Sicherheitsbereich“ eingetragen. Ein Jahr hat er nach amerikanischem Patentrecht nun Zeit, seinen Sensor schützen zu lassen. Nach amerikanischem Usus bleiben aber die Verwertungsrechte bei der Universität.

Von Robert Buchacher