Ein Multikanal-Expansions-Kondensationskernzähler

Die Auswirkungen atmosphärischer Aerosole sowohl auf die Entwicklung des globalen Klimas, als auch auf die menschliche Gesundheit, sind zur Zeit Gegenstand intensiver Forschung. Von zahlreichen Arbeitsgruppen wird gegenwärtig u.a. der Einfluss geladener Molekülclusters und ionisierender Strahlung auf die Entstehung von Nanopartikeln in der Atmosphäre und somit auf Wolkenbildung und Klimaentwicklung intensiv untersucht. In diesem Zusammenhang, sowie auch für zahlreiche andere Anwendungen, kommt einer präzisen Messung der Eigenschaften von Aerosolen eminente Bedeutung zu. Insbesondere Partikel im Größenbereich ab etwa 1 nm Durchmesser spielen bei Partikel-Entstehungsprozessen eine ausschlaggebende Rolle. Bisher stehen im Partikel- Größenbereich um 1 nm jedoch kaum Messgeräte zur Verfügung. In den vergangenen Jahren haben wir ein Expansionskammer-Mess-System, den Size Analyzing Nuclei Counter (SANC) entwickelt. Mit Hilfe dieser Anlage haben wir, auch mit Unterstützung durch den FWF, in mehreren Forschungsprojekten Nukleation und Kondensationswachstum in übersättigten Dämpfen experimentell untersucht. In den vergangenen Wochen ist es uns mit Hilfe des SANC erstmals gelungen, Partikel und Ionen mit Durchmessern bis herunter zu 1 nm zu detektieren. Die Publikation dieser Ergebnisse ist gegenwärtig in Vorbereitung. Der SANC ist zur Zeit als Mess-System im Labor eingerichtet und kann nur für Labormessungen verwendet werden. Für zahlreiche Anwendungen wäre jedoch der Einsatz eines mobilen Mess-Systems außerordentlich wichtig. Insbesondere ein Mess-System mit mehreren simultanen Mess-Kanälen würde eine Vielzahl zusätzlicher Anwendungen ermöglichen. In Weiterführung unserer bisherigen experimentellen Forschungsarbeiten planen wir die Entwicklung eines Mobilen SANC mit 1 Messkammer (MSANC) und eines mobilen Multi-Kanal SANC mit 4 Kammern (MCSANC). Dabei können wir auf den Erfahrungen aus unseren früheren Forschungsprojekten aufbauen. Die Durchführung der geplanten Arbeiten ist bei Mitarbeit eines erfahrenen Doktoranden in der vorgesehenen Zeit möglich. Die Einrichtung des Prozesskontrollsystems und des Datenmanagements soll durch Vergabe entsprechender Werkverträge erfolgen. Das beantragte Projekt würde auch die Chance eröffnen, in weiterer Folge an äußerst aktuellen Kooperations-Experimenten teil zu nehmen. Es besteht großes Interesse am Einsatz eines mobilen SANC bei Experimenten zum Einfluss ionisierender Strahlung auf die Entstehung von Nanopartikeln in der Atmosphäre (Kooperationsprojekt CLOUD, CERN, Genf). Ferner ist vorgesehen, einen mobilen MCSANC bei Hintergrund- Messungen des atmosphärischen Aerosols einzusetzen, bei denen insbesondere der Einfluss geladener und ungeladener Molekülcluster auf die Dynamik der atmosphärischen Partikel-Neubildung untersucht wird (Forschungs-Station Hyytiälä, Universität Helsinki, Finnland). Die vorgesehenen Anwendungen des MSANC und MCSANC bei internationalen Projekten haben beträchtliches Innovationspotential. In der gegenwärtigen Phase ist noch kein erwerbsorientierter Finanzierungspartner vorhanden. Nach Fertigstellung der geplanten Prototypen ist beabsichtigt, mit mehreren Firmen in Kontakt zu treten, um konkrete Möglichkeiten einer kommerziellen Nutzung der neu-entwickelten Geräte auszuloten.

Trotz intensiver weltweiter Forschung führt der Einfluss von Aerosolen und Wolken noch immer zur größten Unsicherheit unserer Kenntnis der Klimaveränderung. Partikelentstehungsprozesse in der Atmosphäre werden häufig durch frisch entstandene molekulare Cluster mit Durchmessern von 1 bis 2 nm hervorgerufen. Ein Fokus des vorliegenden Projektes wurde daher auf die Entwicklung eines Messsystems gelegt, das die Beobachtung und Zählung molekularer Cluster und Aerosol Partikel im Nanometerbereich erlaubt.In einem gemeinsamen Forschungsvorhaben am CERN, Genf, untersuchten wir homogene Nukleation in präzise definierten Mischungen von Wasserdampf, Schwefelsäure und anderen Komponenten in der CLOUD-Kammer. Stabile Schwefelsäurekonzentrationen wurden mittels eines innovativen Faseroptik-UV-Systems erzielt. Die Ergebnisse zeigen, dass die atmosphärische Aerosolnukleation erklärt werden kann, wenn neben Schwefelsäure und Ammoniak zusätzlich auch spezielle organische Dampfkomponenten betrachtet werden.Atmosphärische Partikelbildung kann durch heterogene Nukleation an frisch entstandenen molekularen Clustern erklärt werden. Dementsprechend haben wir einige grundlegende Aspekte der heterogenen Nukleation betrachtet. Das beinhaltet experimentelle Untersuchung von Kontaktwinkeln. Außerdem haben wir theoretische Studien zum Einfluss der elektrischen Ladung der Kondensationskerne auf den heterogenen Nukleationsprozess durchgeführt.Kürzlich haben wir eigenartige Temperatureffekte bei heterogener Nukleation entdeckt. Im vorliegenden Projekt untersuchten wir den Temperatureffekt für Wasserdampf. Die experimentellen Resultate zeigen unerwartetes Verhalten, das möglicherweise auf starke molekulare Wechselwirkungen an der Teilchenoberfläche zurückzuführen ist. Außerdem waren die erforderlichen Übersättigungen zur Aktivierung der Kondensationskernpartikel weit unterhalb der bisherigen theoretischen Erwartung gemäß der allgemein akzeptierten Kelvingleichung. Als Ergebnis dieser Beobachtung wird der grundsätzliche Messbereich von Kondensationspartikelzählern bis herunter zu Teilchendurchmessern von 1nm erweitert.Ein zentraler Aspekt dieses Projektes war Entwicklung und Konstruktion eines neuartigen Kondensationspartikelzählers, des versatile Size Analyzing Nuclei Counter (vSANC). Die Dampfübersättigung im vSANC wird durch adiabatische Expansion erzielt. Softwaresysteme für Prozesssteuerung und Datenauswertung wurden entwickelt und getestet. Der vSANC wurde eingehend charakterisiert. Eine wichtige Eigenschaft des vSANC ist seine Portabilität. Der vSANC wurde für mehrere Monate in der Hintergrund-Messstation in Hyytiälä, Finnland, installiert und zur Beobachtung atmosphärischer Nanoclusterkonzentrationen eingesetzt.