Erforschung von Unterwasser-Methanquellen mit dem Transpector® CPM
Auf dem Meeresboden der Tatsachen
Unterwasser-Massenspektrometer kurz vor dem Einsatz auf dem Deck der Polarstern.
In den Meeresböden sind weltweit enorme Mengen an Methan gebunden. Bei der Erforschung der Methanquellen setzt das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) ein Unterwasser-Massenspektrometer (UWMS) ein – den Transpector® CPM von INFICON. Das System des Anbieters von Mess- und Sensortechnologie trägt mit seiner Messgenauigkeit und -geschwindigkeit maßgeblich zur Datenstabilität und Bedienungsfreundlichkeit bei.
Methan ist ein schädliches Treibhausgas. Durch Kipppunkt-Effekte, wie der Zersetzung von Gashydraten in Ozeanen, gelangt es zunehmend in die Atmosphäre. In aquatischen Systemen kann Methan etwa durch Risse in den Sedimenten an die Oberfläche gelangen. Eine weitere submarine Methanquelle entsteht durch mikrobielle Zersetzung von organischem Material in geringeren Sedimentschichten. Durch den Klimawandel erwärmen sich die marinen Sedimente und geben das Klimagas frei. Die entscheidende Frage lautet: Wieviel Methan daraus gelangt in die Atmosphäre und beschleunigt die Erderwärmung.
Methanaustritte lokalisieren
Um die submarinen Quellen zu lokalisieren eignet sich der In-situ-Einsatz eines Unterwasser-Massenspektrometers. Die Hauptvorteile sind die kurze Ansprechzeit bei erhöhten Konzentrationen und die im Vergleich zu anderen Methoden bis zu 750mal höhere Messrate der Konzentrationen gelöster Gase. Je höher die Datendichte, desto exakter die Kartierung der Methanquellen.
Exakt, schnell und bedienungsfreundlich
Das UWMS besteht aus einem Membraneinlass-System für die Probennahme und einer Sensor-Einheit, in der die wasserlöslichen Gase und leichten Kohlenwasserstoffe gemessen werden. Kernstück des Sensors ist ein Massenspektrometer. Das Alfred- Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) setzt etwa bei seinen Forschungen auf den Transpector® CPM von INFICON. Mit seiner Genauigkeit und Geschwindigkeit trägt das INFICON-System maßgeblich zur Datenstabilität und Bedienungsfreundlichkeit bei.
Expedition im Südatlantik
Dr. Torben Gentz, Scientific Lab Manager, Abteilung Marine Geochemistry am AWI.
So etwa auch im Dezember 2022, als das Forschungsschiff Polarstern im Südatlantik mit einem Unterwasser-Massenspektrometer Methanquellen erkundet hat. Mit an Bord: Wissenschaftler Dr. Torben Gentz. In der Abteilung Marine Geochemie am AWI begleitet er das UWMS-Projekt seit 2005. Das heutige System hat zwar kaum noch etwas mit dem Ursprungsgerät zu tun. So sind etwa die Ansteuerung und die Vakuumpumpen neu. "Aber das einzig verbliebene elementare Bauteil ist der CPM von INFICON", sagt Gentz.
Gasblasen an der Wasseroberfläche
Entscheidend für die Forschung ist laut Dr. Torben Gentz der Anteil des Methans, der in die Atmosphäre gelangt. Je dichter die Ausgasungsstellen an der Wasseroberfläche sind und je geringer die Wassersäule darüber mit unterschiedlichen Wassermassen geschichtet ist, desto mehr Methan dringt an die Oberfläche. Die Erhebung und Aufarbeitung der Daten sind elementar, denn diese münden in den Sachstandsbericht des Weltklimarats IPCC. Um die Rolle der Meere im globalen Klimasystem zu ergründen benötigt man also letztlich verlässliche Messmethoden.
Bewährt in der Halbleiterproduktion
"Die Erforschung der Methanquellen ist jedoch nicht die einzige Anwendung", sagt INFICON-Service Manager Steffen Tippmann. Compact Prozess Monitor (CPM)-Systeme werden in der Halbleiterproduktion, im SEMI Bereich zur Prozessüberwachung und - steuerung sowie zur Kontaminationsüberwachung eingesetzt. Aber auch in der Forschung, in der Chemie, der Materialanalyse oder der Physik sind CPM Systeme im Einsatz. Dabei kommt der Vorteil der geschlossenen Ionenquelle zur Geltung. Mit ihr kann man direkt bei Prozessvakuum (Prozessdruck) oder bei viel höherem Druck als mit einer offenen Ionenquelle ionisieren. Ein differentielles Pumpsystem, wie es im CPM verbaut ist, ist Voraussetzung. Dieses kann durch ein variables, schaltbares Einlasssystem ergänzt werden, mit dem man einen weiten Analyse-Druckbereich von Atmosphäre bis Hochvakuum abdecken kann.
Vorteil: geschlossene Ionenquelle
Sonderanwendungen wie im AWI nutzen ebenfalls den Vorteil der geschlossenen Ionenquelle. Dabei wird bei einem höheren Druck als bei einer offenen Ionenquelle das Prozessgas ionisiert. Man erzielt eine höhere Ionenausbeute, eine höhere Anzahl geladener Teilchen, die man im Quadrupole nach ihrem Masse-Ladungsverhältnis separieren und zur Anzeige bringen kann. "Das Resultat ist eine wesentlich genauere und detailliertere Aussage zur Weiterverarbeitung in der Forschung oder Prozesssteuerung", bilanziert Steffen Tippmann.
