Optische Sensoren zur Erkennung der Wasserverunreinigung

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Eine gemeinsame Forschungsarbeit der City University of London und des Indian Institute of Science nutzt fortschrittliche Photonik, um Verunreinigungen in Indiens Wasserläufen zu erkennen. Diese bahnbrechende Arbeit könnte weitreichende Vorteile für Indien und darüber hinaus haben.

In vielen Teilen der Welt bestehen Probleme mit der Wasserqualität, aber nur in wenigen so sehr wie in Indien. Die schlechte Infrastruktur, die große und schnell wachsende Bevölkerung und die komplexe kulturelle Beziehung zu Flüssen führen dazu, dass viele Wasserläufe mit Verschmutzung und Krankheitserregern belastet sind. Im Water, Sanitation and Hygiene (WASH) Performance Index 2015 der University of North Carolina schneidet Indien schlecht ab und liegt auf Platz 93 von knapp über hundert Ländern. Dies stellt ein ernstes, unmittelbares Gesundheitsrisiko für die Menschen dar, die auf die Wasserversorgung des Landes angewiesen sind, und verursacht weitere Probleme, da die Gesundheit der natürlichen Ökosysteme abnimmt.

Aber aufgrund eines ehrgeizigen Forschungsprojekts, bei dem die Expertise in fortschrittlichen Photoniktechnologien und synthetischer Chemie zum Einsatz kommt, könnte Licht am Horizont erscheinen.

2017 erhielten Professor Azizur Rahman, Professor für Photonik der City University of London, und Professor Sundarrajan Asokan vom Indian Institute of Science gemeinsam einen Forschungszuschuss in Höhe von 500 000 GBP aus dem indisch-britischen Programm für Wasserqualität, um ein neuartiges Sensorsystem zur Erkennung von Schadstoffen in Gewässern zu entwickeln.

Das Programm, das vom britischen Natural Environment Research Council (NERC) und dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie der indischen Regierung finanziert wird, unterstützt neuartige Forschungsarbeiten, um das Verständnis der Quellen, des Transports und des Schicksals von Schadstoffen im Wasser zu verbessern und die Risiken zu bestimmen, die sie für Mensch und Umwelt darstellen.

Das Projekt der Professoren Rahman und Asokan mit dem Titel „Innovative kostengünstige optische Sensorplattformen für die Überwachung der Wasserqualität“ wird dazu beitragen, durch die Entwicklung optischer Sensoren, die Wasserprobleme genauer, schneller und kostengünstiger als bestehende Systeme erkennen, indem sie die neue Technologie der „geführten Wellenphotonik“ nutzen. Es wird auch vom Newton-Bhabha-Fonds unterstützt, der nach dem berühmten indischen Wissenschaftler Homi Jehangir Bhabha benannt ist, der eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Quantentheorie spielte.

Das Team verfügt über einen ausgezeichneten Stammbaum für die Forschung, was wichtig ist, da es sich um eine multidisziplinäre Aufgabe handelt, die eine breite Palette von Fähigkeiten und Fachwissen erfordert. Professor Rahman von der City School of Mathematics, Computer Science & Engineering ist der weltweit führende Wissenschaftler auf dem Gebiet der Photonik-Modellierung. Seit seinem BSc- und MSc-Abschluss in Elektrotechnik mit Auszeichnung an der Bangladesh University of Engineering and Technology in den 1970er Jahren hat er mehr als 500 Arbeiten veröffentlicht, über 10 Millionen Pfund an Forschungsgeldern erhalten und zahlreiche geförderte Projekte in Indien und anderen Ländern koordiniert.

Seine jüngsten Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung der nächsten Generation optischer Sensoren unter Verwendung der Nanotechnologie, wie mikrostrukturierte optische Fasern, Nanofasern, Siliziumschlitzleiter und Mikroresonatoren. Letztes Jahr wurde er für seine Arbeiten zur Sensortechnologie in Malaysia in die engere Wahl für den renommierten Newton-Preis aufgenommen.

Professor Asokan leitet die Forschungsgruppe für optische Sensoren am Indian Institute of Science in Bangalore, die über besondere Fachkenntnisse in den Bereichen Nanotechnologie, Materialcharakterisierung und Computertechnik sowie über eine sehr aktive Photonikgruppe verfügt, die sich über mehrere Abteilungen erstreckt. Er ist der Gründer von Openwater.in, einem indischen Wasseraufbereitungsunternehmen, das aus seiner akademischen Abteilung hervorgegangen ist, und bringt somit direkte und relevante industrielle Erfahrung in das Konsortium ein.

Sie werden mit Professor Kenneth Grattan OBE FREng, George Daniels Professor für wissenschaftliche Instrumentierung an der Royal Academy of Engineering und Dekan der City Graduate School, zusammenarbeiten, der auf dem Gebiet der Sensorik und Instrumentierung international einen hervorragenden Ruf genießt und mehrere Veröffentlichungen zur Überwachung der Wasserqualität veröffentlicht hat.

Gemeinsam hat das Team mit einer beeindruckenden Reihe von Organisationen zusammengearbeitet, darunter Serco, Network Rail, Home Office, UK Border Agency, Arup, Fiat, BAE Systems und Amey Consulting. Sie trafen sich im Mai in Indien und werden mindestens die nächsten drei Jahre zusammenarbeiten. „Die Arbeit an einigen Teilen hat bereits begonnen“, sagt Professor Asokan. „Das ist eine gute Gelegenheit, die Arbeit von zwei sich ergänzenden Gruppen zu kombinieren und ein sehr erfolgreiches Projekt zu schaffen.“

Professor Rahman erklärt, dass der erste Teil des Projekts in der grundlegenden optischen Gestaltung besteht. Das heißt, es geht um die Entwicklung optischer Sensoren – Sensoren, die Lichtstrahlen in elektronische Signale umwandeln -, welche bestimmte Stoffe im Wasser erkennen und an einen zentralen Kontrollpunkt weiterleiten können.

Die Sensoren werden hochentwickelte, spezialisierte beschichtete Faser-Bragg-Gitter-Technologien verwenden (eine besondere Art von Reflektor, der in einem kurzen Segment der optischen Faser konstruiert ist und nur bestimmte Wellenlängen des Lichts reflektiert) sowie das Potenzial von Nanofasern und plasmonischer Evaneszenzsensorik erforschen, um eine Reihe verschiedener Verunreinigungen zu erkennen, seien sie physikalischer, chemischer oder biologischer Natur. „Für jeden spezifischen Stoff, den wir aufspüren wollen, müssen wir mit Chemikern oder Biologen in diesem Bereich zusammenarbeiten“, erklärt Professor Rahman. „Aber letztendlich wollen wir sehen, wie das Vorhandensein von einem Stoff, den wir nachweisen wollen, die optischen Eigenschaften unseres Geräts verändert.“

Diese Sensoren werden an Glasfasern angeschlossen, wie sie auch in modernen Internetverbindungen verwendet werden, weil sie billig sind, eine extrem hohe Datenrate haben und extrem verlustarm sind. „Ein optischer Sensor kann zehn, zwanzig Meilen entfernt sein. Man kann ein Signal senden, das mit minimalem Verlust zurückkommt“, sagt Professor Rahman.

Professor Rahman erklärt, dass er Erfahrung mit der eher theoretischen Arbeit von Design und Optimierung hat, während die Professoren Grattan und Asokan eher experimentell orientiert sind. „Ich habe vor allem an der optischen Modellierung gearbeitet, und es gibt einige Sensoren, die in der Theorie weiter fortgeschritten sind“, sagt er. „Nehmen wir an, Sie bauen einen großen Damm und gießen Hunderte von Tonnen Beton, und Sie möchten die Temperatur ermitteln, während sich der Beton absetzt. Dann kann man Hunderte von thermo-optischen Sensoren einsetzen, die die Temperatur an verschiedenen Stellen messen und Signale senden. Das haben wir getan. Ich habe auch an einem theoretischen Entwurf optischer Sensoren für die Biosensorik gearbeitet. Dazu haben wir viele Arbeiten veröffentlicht.“

Professor Grattan arbeitet seit langem an der Entwicklung optischer Sensoren zur Erfassung von Temperaturen und physikalischen Messungen. So hat er beispielsweise mit der Abteilung für Bauwesen der City, University of London an der Entwicklung von Sensoren gearbeitet, die Verformungen einer Brücke erkennen, wenn diese zu stark belastet wird. Und er hat an einem Projekt mitgearbeitet, bei dem Hunderte von Sensoren an einem Schiffspropeller angebracht wurden, um Spannungen an verschiedenen Stellen zu erkennen.

Da das Team bereits gute Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitssensoren entwickelt hat, beschloss es, dieses Projekt auf die wichtigsten Ziele zu beschränken, darunter biologische Krankheitserreger wie E. coli und Cholera, chemische Verschmutzung wie Arsen, Quecksilber und Kupfer sowie Pestizide. „Wir wollen uns auf das konzentrieren, was für Indien wichtig ist“, sagt Professor Rahman. „Arsen zum Beispiel ist ein kritisches Thema, vor allem in Westbengalen. Außerdem wird in der Lederindustrie Chrom verwendet, so dass es im ganzen Land zu Chromkontaminationen und Biopathogenen wie Cholera und Typhus kommt. Bei Arsen zum Beispiel würden wir uns fragen, welche Art von Polymer nur mit diesem reagiert, so dass die Anwesenheit anderer Stoffe keine Auswirkungen hat.

Der nächste Schritt besteht darin, integrierte Systeme zu entwickeln, die es ermöglichen, die Informationen einer ganzen Reihe von Sensoren an eine zentrale Kontrollstelle weiterzuleiten, ohne dass sie durcheinander geraten. Die Idee ist, dass viele Sensoren „gemultiplext“ werden oder entlang einer einzigen optischen Faser aufgereiht werden, die „geführte Wellen“-Signale an eine zentrale Steuereinheit zurücksendet. Dies kann von einigen wenigen Sensoren bis hin zu Hunderten reichen; das Team hat bereits ein Netz von mehr als 330 optischen Sensoren in einem einzigen akustischen Messsystem eingesetzt.

„Ich könnte zehn verschiedene Sensoren – einen für Chrom, einen für Arsen usw. – auf denselben Abschnitten einer Glasfaser haben“, sagt Professor Rahman. „Wir sprechen hier von Millimetern Länge. Jeder Sensor erfasst einen anderen Schadstoff, aber mit Hilfe der geführten Wellenphotonik verwendet jeder Sensor eine andere Wellenlänge, so dass die Signale nicht interagieren und man feststellen kann, welcher Sensor das Vorhandensein des gewünschten Ziels erfasst.“

Laut Professor Rahman stellen die Sensoren eine erhebliche Verbesserung gegenüber den bestehenden Systemen zur Überwachung der Wasserqualität dar, die in der Regel auf elektrischen Rückkopplungen oder chemischen und biologischen Verfahren beruhen. Sie werden klein, leicht und schnell sein und zuverlässige Informationen direkt an die Schalttafel weitergeben. Chemische und biologische Analysen können Stunden oder Tage dauern, erfordern möglicherweise eine größere Probenmenge und weisen eine potenziell höhere Fehlerquote auf, während der Einsatz von elektronischen Kabeln an manchen Orten, z. B. in Kohle- oder Gasfeldern, gefährlich sein kann. Das bedeutet, dass Probleme in der Wasserversorgung viel schneller erkannt werden können, selbst in abgelegenen Dörfern, und dass Hilfe geleistet werden kann, wann und wo sie am dringendsten benötigt wird. Damit wird auch der wachsenden Nachfrage der Bürger nach Echtzeitinformationen über das Wasser, das sie trinken, entsprochen.

Sobald die Konstruktionsarbeiten abgeschlossen sind, werden die Sensoren im Labor getestet. Die Abteilung für Bauingenieurwesen des Indian Institute of Science verfügt über ein fortschrittliches Hydrologielabor mit einem komplexen Netz von Wasserversorgungssystemen, in die bestimmte Stoffe eingespritzt und überwacht werden können. Das Team hofft, seine Sensoren dort in ein paar Jahren testen zu können.

Aber, wie Professor Rahman betont, ist dies heikel; man kann kein Arsen in ein öffentliches Gewässer einbringen, so dass man von dem abhängt, was dort vorhanden ist oder nicht. Ein möglicher Standort ist Westbengalen, wo es ein ernstes Arsenproblem gibt. Arsen kommt natürlich tief im Grundwasser vor, das jedoch zunehmend für landwirtschaftliche Zwecke angezapft wird, wodurch es sich in der menschlichen Trinkwasserversorgung konzentriert.

Das Forschungsteam wird dann mit den wichtigsten Interessengruppen zusammenarbeiten, darunter das Bangalore Water Supply and Sewerage Board, das sich bereit erklärt hat, die entwickelten Systeme zu testen und zu bewerten. Bangalore, das als Indiens Silicon Valley bekannt ist, hat zwar kein besonderes Arsenproblem, aber ernste eigene Wasserprobleme, darunter die Einleitung von Abfällen (einschließlich Elektronikschrott) und ungeklärten Abwässern in Wasserläufe, was in jüngster Zeit dazu geführt hat, dass einige der berühmten Seen spektakulär in Brand geraten sind.

Investitionen in die Infrastrukturforschung sind sehr teuer, insbesondere in die Spitzenforschung und -technik, die viele der interessantesten Entwicklungen in der Photonik ermöglicht haben. Während einige Unternehmen bereits Echtzeit-Fernüberwachungssysteme zur Messung der Wasserqualität eingesetzt haben, werden solche Systeme zum ersten Mal mit Hilfe von optischen Führungswellen entwickelt. Nach Professor Rahman könnten in Zukunft fortschrittliche Sensoren und Techniken entwickelt werden, um das System auf neu auftretende Schadstoffe wie Insektizide, Düngemittel, Antibiotika und hormonelle Verhütungsmittel auszuweiten. „Wir wollten nicht mit 20 Dingen zugleich beginnen“, sagt Professor Rahman. „Wir wollten zeigen, dass einige Schwermetalle und einige Biopathogene möglich sind, und dann werden wir uns weitere ansehen.“

Wenn jemand nach dem Projekt einen Sensor für ein anderes Metalloid oder Schwermetall entwickeln möchte, könnte dieses eine ähnliche chemische Struktur wie Arsen haben. Daher könnte ein spezifischer Sensor dafür schneller entwickelt werden. Neue Stoffgruppen, wie z. B. Insektizide, könnten auch erreicht werden, das würde aber länger dauern.

Eine weitere zukünftige Entwicklung, so Professor Rahman, wäre die Verwendung von Silizium-Wellenleitern anstelle von optischen Wellenleitern, da diese noch billiger wären, wenn die Technologie in größerem Maßstab entwickelt wird. Aber das ist noch lange nicht ausgereift.

Das Projekt hat offensichtliche Vorteile für Indien, könnte aber auch in vielen anderen Ländern nützlich sein. „Wenn dies in Indien entwickelt werden kann, kann es auch in vielen anderen Ländern der Dritten Welt oder sogar in Europa entwickelt werden“, sagt Professor Rahman. „Cholera ist zwar nicht weit verbreitet, aber es gibt andere Verunreinigungen. Dieser Bereich könnte mit den gewonnenen Erkenntnissen ausgebaut werden.“

Photonik und Biotechnologie sind derzeit hochaktuelle Themen. Sie wurden von der Europäischen Union als zwei der sechs Schlüsseltechnologien identifiziert, die unsere Welt im 21. Jahrhundert prägen. Und obwohl die Photonik bereits eine Schlüsselrolle bei wichtigen Aspekten der technologischen Entwicklung spielt, wie z. B. beim Internet, bei der Beleuchtung, bei Displays und bei optischen Kommunikationssystemen, besteht viel Spielraum für weitere Entwicklungen.

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Ida Junker

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