09.12.2022 - Chalmers University of Technology

Ultra-empfindlicher optischer Sensor kann die Risiken von Wasserstoff verringern

KI-Technologie als Wegbereiter

Beim Streben nach sauberer und erneuerbarer Energie spielt Wasserstoff eine wichtige Rolle. Eine große Herausforderung bei diesem Übergang ist jedoch, dass das Gas in Verbindung mit Luft explosiv ist. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, Wasserstofflecks so früh wie möglich zu erkennen. Jetzt haben Forscher der Chalmers University of Technology, der Vrije Universiteit Amsterdam und der Eindhoven University of Technology einen optischen Sensor entwickelt, der auch sehr geringe Mengen von Wasserstoff erkennen kann.

Wasserstoff wird als wichtiger Bestandteil der Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs angesehen, und weltweit werden wasserstoffbetriebene Züge, Lastwagen und Flugzeuge entwickelt und eingesetzt. Auch in der Schwerindustrie wird Wasserstoff als sehr wichtig angesehen, zum Beispiel für die Herstellung von fossilfreiem Stahl.

Die Risiken der Speicherung und Nutzung von Wasserstoff sind bekannt. Schon vier Prozent Wasserstoff in Luft reichen aus, um ein explosives Gemisch (Knallgas) zu bilden, das sich beim kleinsten Funken entzünden kann. Daher ist es wichtig, dass hochempfindliche Sensoren vorhanden sind, die Lecks überwachen und bei kritischen Werten Alarm schlagen.

Sicherheit ist bei der Nutzung von Wasserstoff von größter Bedeutung

Gemeinsam mit niederländischen Kollegen haben Forscher des Fachbereichs Physik der Chalmers University of Technology in Schweden nun einen optischen Wasserstoffsensor entwickelt, der rekordverdächtig niedrige Wasserstoffkonzentrationen erkennt. Er gehört damit zu den empfindlichsten Sensoren der Welt. Die neuen Forschungsergebnisse werden in einem Artikel in Nature Communications vorgestellt.

"Sicherheit ist bei der Nutzung und Speicherung von Wasserstoff von größter Bedeutung. Wenn Lecks frühzeitig erkannt werden, können sie behoben werden, so dass man die Anlage oder das Fahrzeug hoffentlich gar nicht außer Betrieb nehmen muss", sagt Chalmers-Professor Christoph Langhammer, einer der Hauptautoren des wissenschaftlichen Artikels.

KI-Technologie als Wegbereiter

Der optische Wasserstoffsensor besteht aus vielen Metallnanopartikeln, die zusammenarbeiten, um Wasserstoff in ihrer Umgebung zu erkennen. Der Ansatz, wie der neue Sensor entwickelt wurde, unterscheidet sich von dem, was bisher gemacht wurde. Anstatt eine große Anzahl von Mustern herzustellen und sie einzeln zu testen, um zu sehen, welches am besten funktioniert, haben die Forscher eine fortschrittliche KI-Technologie eingesetzt, um die optimale Interaktion zwischen den Partikeln auf der Grundlage ihres Abstands zueinander, ihres Durchmessers und ihrer Dicke herzustellen. Das Ergebnis ist ein Sensor, der Veränderungen der Wasserstoffkonzentration im Bereich von wenigen hunderttausendstel Prozent erkennt.

Das Geheimnis für die niedrige Nachweisgrenze des neuen Sensors liegt in der Kombination aus der Anordnung der Partikel in einem regelmäßigen Muster auf einer Oberfläche und ihren fein abgestimmten Abmessungen. Dies erwies sich als günstiger für die Empfindlichkeit des Sensors als die zufällige Anordnung der Teilchen, die in früheren Sensoren desselben Typs verwendet wurde.

Die Forschungsgruppe von Christoph Langhammer konnte bereits den schnellsten Wasserstoffsensor der Welt präsentieren. Für ihn ist klar, dass viele verschiedene Arten von Sensoren benötigt werden und dass diese für bestimmte Anwendungen optimiert werden müssen.

"Die Technologie rund um Wasserstoff hat einen riesigen Sprung gemacht, und deshalb müssen die heutigen Sensoren genauer sein und für verschiedene Zwecke maßgeschneidert werden. Manchmal wird ein sehr schneller Sensor benötigt, manchmal einer, der in einer rauen chemischen Umgebung oder bei niedrigen Temperaturen funktioniert. Ein einziges Sensordesign kann nicht alle Anforderungen erfüllen", sagt Christoph Langhammer, der auch einer der Gründer eines neuen Kompetenzzentrums ist: TechForH2.

Neue Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft im Bereich Wasserstoff

Das neue, von Chalmers geleitete Zentrum bringt Wissenschaft und Industrie zusammen, um neue Wasserstofftechnologien mit Schwerpunkt auf der Dekarbonisierung des Schwerverkehrs zu entwickeln. TechForH2 wird von Chalmers-Professor Tomas Grönstedt am Fachbereich für Mechanik und Meereswissenschaften geleitet.

"Wenn sich die Forschungsgemeinschaft und die Industrie zusammenschließen, kann uns das auf die nächste Ebene bringen, so dass das, was wir produzieren, angewandt werden kann und den Bedürfnissen und Herausforderungen der Industrie entspricht. Dies gilt sowohl für die Entwicklung von Sensoren als auch für die Forschung im Zusammenhang mit dem Antrieb von schweren Fahrzeugen oder Flugzeugen mit Wasserstoffgas", sagt Tomas Grönstedt, der darauf hinweist, dass ein Elektroflugzeug mit einer Reichweite von 500 Kilometern seine Reichweite auf 3000 Kilometer erhöhen könnte, wenn es mit Wasserstoff betrieben würde.

Wie der optische Wasserstoffsensor funktioniert

Der von den Forschern entwickelte Sensor basiert auf einem optischen Phänomen, den Plasmonen, die auftreten, wenn Metallnanopartikel Licht einfangen und den Partikeln eine bestimmte Farbe verleihen. Wenn die Nanopartikel aus Palladium oder einer Palladiumlegierung bestehen, ändert sich ihre Farbe, wenn die Menge an Wasserstoff in der Umgebung schwankt, und der Sensor kann einen Alarm auslösen, wenn die Werte kritisch werden.

Um die ultimative Kombination aus der Anordnung auf der Oberfläche und der Geometrie der Partikel im Sensor zu finden, verwendeten die Forscher einen Algorithmus der künstlichen Intelligenz, die so genannte Partikelschwarmoptimierung, um die höchstmögliche Empfindlichkeit gegenüber der Wasserstoffexposition zu erreichen. Die Anordnung der Partikel in einem sehr genau definierten regelmäßigen Muster erwies sich als die Lösung.

Auf der Grundlage des KI-Entwurfs wurde der optimierte optische Wasserstoffsensor hergestellt und nachgewiesen, dass er der erste seiner Art ist, der Wasserstoff im "parts per billion"-Bereich (250 ppb) optisch erkennt.

Der neue Sensor basiert auf dem optischen Phänomen der Plasmonen, die auftreten, wenn Metallnanopartikel Licht einfangen und den Partikeln eine bestimmte Farbe verleihen. Diese Farbe ändert sich, wenn die Menge an Wasserstoff in der Umgebung schwankt, und der Sensor kann bei kritischen Werten Alarm schlagen.

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