Viele Abfälle sind viel zu wertvoll, um einfach verbrannt zu werden. Wenn man sie auf genau kontrollierte Weise verwertet, kann man nicht nur Wärmeenergie gewinnen, sondern aus dem entstandenen Produktgas wertvolle Chemikalien erzeugen – von Wasserstoff über Methan bis Methanol. Dafür muss man aber den Gaserzeugungsprozess genau überwachen und je nach Bedarf regulierend eingreifen.

Für besonders großes Kopfzerbrechen sorgte dabei bisher ausgerechnet ein ganz alltägliches Nebenprodukt – nämlich Wasserdampf. Will man die Gaserzeugung effizient steuern, ist es wichtig, den Wassergehalt des Produktgases möglichst genau zu kennen. Aber mit herkömmlichen Methoden lässt sich der Wasseranteil nur schwer messen. In einer Kooperation von Verfahrenstechnik und Photonik an der TU Wien gelang es nun, dieses Problem durch eine ganz besondere Art von Lichtquelle zu lösen: Durch Terahertz-Strahlung eines Quantenkaskadenlasers. So unterstützt modernste Quantentechnologie nun umweltfreundliche Biomasse-Verwertung.

Herkömmliche Messungen genügen nicht

„Viele chemische Bestandteile des Produktgases kann man mit Infrarot-Licht nachweisen“, erklärt Florian Müller, der innerhalb des Doktoratskollegs CO₂Refinery am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien an erneuerbaren Kohlenstoffsystemen forscht. „Unterschiedliche Moleküle absorbieren unterschiedliche Wellenlängen im Infrarot-Bereich. Wenn man misst, welcher Anteil welcher Wellenlänge von einer Probe absorbiert wird, kann man somit auch sagen, ob diese Probe eine bestimmte Substanz enthält oder nicht.“

Ausgerechnet bei Wasserdampf, der bei solchen Prozessen eine sehr wichtige Rolle spielt, ist das aber schwierig: „Wenn man Biomasse zu Gasen umwandelt, dann erhält man ein kompliziertes Gasgemisch, das neben Wasserdampf auch viele verschiedene Kohlenwasserstoffe enthält“, sagt Florian Müller. „Und manche von ihnen absorbieren Infrarot-Strahlung genau bei den Frequenzen, bei denen auch Wasser absorbiert.“ Man kann somit nicht genau sagen, welche Substanz für die Absorption verantwortlich ist, und somit lässt sich auch der Wasseranteil im Produktgas nicht genau ablesen. Man kann eine Gasprobe zwar abkühlen und dann die Menge des kondensierten Wassers messen – aber das dauert eine Weile. Rasch auf schwankende Wasserkonzentrationen zu reagieren ist auf dieses Weise nicht möglich, was einen effizienten Betrieb erschwert.

TU Wien entwickelt Terahertz-Strahlungsquellen

Gleichzeitig forschte allerdings am Institut für Photonik der TU Wien Michael Jaidl an Laserstrahlen im Terahertz-Bereich – also an Strahlung mit noch etwas größerer Wellenlänge als die heute oft für spektroskopische Untersuchungen eingesetzte Infrarot-Strahlung. Michael Jaidl und Florian Müller sind alte Freunde und kennen sich bereits aus ihrer Schulzeit – und so kamen sie gemeinsam auf die Idee, ihre Forschungsbereiche zu verbinden.

Michael Jaidl konnte nämlich zeigen: Im Terahertz-Bereich lassen sich Frequenzen finden, die ganz spezifisch nur von Wassermolekülen absorbiert werden – nicht aber von den vielen anderen Substanzen, die sich im Produktgas einer Biomasse-Verwertungsanlage in nennenswerter Konzentration finden. Man kann das Problem der Wasserdampf-Detektion somit lösen, indem man statt der üblichen Infrarotstrahlung Terahertz-Strahlung verwendet.

Terahertz-Strahlung ist schwer zu erzeugen. An der TU Wien nutzt man dafür Tricks aus der Quantentechnologie: Man stellt Quantenkaskadenlaser her – winzige Halbleiter mit einer auf Nanometerskala maßgeschneiderten geometrischen Struktur, die dafür sorgt, dass nur Strahlung einer ganz bestimmten Wellenlänge ausgesendet wird, wenn man eine elektrische Spannung anlegt. Dieser Quantenkaskadenlaser braucht zwar eine eigene Kühlvorrichtung, aber es gelang den beiden Forschern, eine kompakte, tragbare Apparatur zu entwickeln, die mit einem Terahertz-Strahl den Wasseranteil in heißen Produktgasen zuverlässig messen kann.

Erste Tests erfolgreich

„Ein entscheidender Vorteil unserer Methode ist, dass sie über einen weiten Bereich von Wasserdampfkonzentrationen und Temperaturen ein zuverlässiges Ergebnis liefert“, sagt Michael Jaidl. „Das kommt daher, dass die von uns genutzte Terahertz-Strahlung von Wasserdampf besonders stark absorbiert wird – dadurch können wir einen kompakteren Aufbau nutzen. Ein großer Vorteil des kompakten Aufbaus ist auch, dass die Temperatur in der Messzelle nicht so stark schwankt – das reduziert die Fehleranfälligkeit.“

Dass die neue Methode bestens funktioniert, wurde bei Gaserzeugungsversuchen aus Altholz an der TU Wien am Campus Getreidemarkt unter Beweis gestellt. Nun wollen die beiden Forscher und ihre Teams ihre Technologie noch weiter verbessern: Erstens soll sie noch handlicher und bedienungsfreundlicher werden, um sie noch praxistauglicher zu machen, und zweitens soll untersucht werden, ob auch andere Inhaltsstoffe von Produktgasen mit Terahertz-Technologie zuverlässig detektiert werden können.
 

Originalpublikation

F.J. Müller et al., Water vapor quantification in raw product gas by THz quantum cascade laser, Energy Conversion and Management: X
26, 100906 (2025). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590174525000388

Rückfragehinweis

Dr. Michael Jaidl
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 45128
michael.jaidl@tuwien.ac.at

Dipl.-Ing. Florian Müller
CO₂Refinery, Inst. f. Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowisenschaften
Technische Universität Wien
+43 1 58801 166370
florian.johann.mueller@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Abteilung Kommunikation
Technische Universität Wien
+43 664 60588 4127
florian.aigner@tuwien.ac.at