Methan (CH₄) ist einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung, dennoch ist der Beitrag der einzelnen Methanquellen noch immer nicht exakt bekannt. Eine solche Quantifizierung wäre allerdings dringend nötig, um Massnahmen zu ergreifen, mit denen die Klimaziele der Vereinten Nationen (UN) erreicht werden können. Im Rahmen des Horizon2020-Projektes MEMO2 («Methane goes Mobile, Measurements and Modelling») fokussieren sich 20 Forschungsgruppen aus sieben Ländern auf die Ermittlung der Methanquellen und die Quantifizierung von deren Emissionen mittels mobiler Analysegeräte – darunter auch die Empa.

Einen besonderen Fokus legten die MEMO2-Forschenden auf Rumänien. Mit seinen zahlreichen Öl- und Gasfeldern ist das Land eine der Hauptquellen der europäischen Methanemissionen. Methan tritt über die Bohrschächte dieser Felder an die Oberfläche und entweicht teilweise in die Atmosphäre. Bislang konnten sehr genaue Methanmessungen nur mit stationäre Messgeräte durchgeführt werden. Diese werden zwar manchmal in Fahrzeuge eingebaut, können dann aber nur genau entlang der Strasse eingesetzt werden – ein aufwändiges und unbefriedigendes Unterfangen.

Empa-Forschenden gelang es nun jedoch, ein präzises und leichtes Messgerät zu entwickeln, das auf eine Drohne montiert werden kann um die CH₄-Konzentrationen zu messen und damit die Emissionen zu bestimmen. «Das neue Spektrometer ist ein Durchbruch in der Analytik von Spurengasen bezüglich Messgenauigkeit, Grösse und Gewicht», erklärt Lukas Emmenegger, Leiter der Empa-Abteilung «Luftfremdstoffe / Umwelttechnik». Um das Methan zu quantifizieren, nutzen Emmenegger und sein Team einen Quantenkaskaden-Laser (QCL). Mit Hilfe des auf der Drohne montierten Spektrometers kann die dreidimensionale Verteilung von Methan in der Umgebung einer Quelle bestimmt werden. Kombiniert man diese Daten mit Windmessungen, dann können die Forschenden daraus die Emission einer Quelle berechnen. Die Drohne hat zudem den Vorteil, dass sie Messungen an vom Boden aus schwer zugänglichen Orten erlaubt. So lassen sich mit der Drohne etwa grössere Quellen oder Teile von Ölfeldern überfliegen um daraus zu bestimmen, an welchen Orten Methan in welchen Mengen an die Oberfläche gelangt. Mit solchen detaillierten Messungen lassen sich künftig konkrete Massnahmen treffen und überprüfen, um die Methanemissionen weiter einzudämmen. Daran ist auch die Industrie interessiert, bestätigt Emmenegger. «Unsere neue Messtechnik hat schon zu zahlreichen Anfragen aus Industrie und Forschung geführt. Daraus ergeben sich viele spannende Projekte im Bereich der natürlichen und vom Menschen verursachten Methanquellen.»

Zehn auf einen Streich

Doch nicht nur Methan steht auf der Liste der Umweltschadstoffe. Dazu gehören auch Kohlendioxid (CO₂), Ozon (O₃) und Ammoniak (NH₃). Instrumente, die diese Gase messen können, sind jedoch komplex, teuer und benötigen viel Energie, denn jedes Gas muss mit einer separaten Methode gemessen werden – zumindest bis jetzt. Die beiden ehemaligen Empa-Forschenden Morten Hundt und Oleg Aseev haben ein QCL-Spektrometer entwickelt, das zehn Umweltgase gleichzeitig detektieren kann. Vor kurzem gründeten sie damit das Empa-Spin-off «MIRO Analytical Technologies» und konnten bereits zahlreiche Erfolge feiern. Unter anderem erhielten sie Anfang 2020 im Rahmen des Accelerator-Programms des «European Innovation Council» 1.25 Millionen Euro an Fördergeld. Zudem sind sie seit Januar 2019 Teil des Business Inkubators der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA, denn ihr High-Tech-Sensor kann als wichtige Referenz – am Boden oder flugzeuggestützt – für die Beobachtung von Umweltgasen mittels Satelliten dienen.

Beobachtungen aus dem All

Die ESA setzt bei den Vorbereitungen für die CO2M-Satellitenmission («Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring») ebenfalls auf die Expertise der Empa. Ab 2025 sollen die ersten CO2M-Satelliten in den Orbit geschickt werden, die mit Hilfe von spektroskopischen Messungen globale Karten der CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wieviel CO₂ von Industrieanlagen, Städten und Ländern emittiert wird. «Wir konnten der ESA verschiedene Empfehlungen für die analytische Ausstattung der Satelliten geben», so Empa-Forscher Gerrit Kuhlmann. So muss der Satellit etwa in der Lage sein, die vom Mensch erzeugte CO₂-Emission von den Signalen der Biosphäre – also dem natürlich vorkommenden CO₂ – zu unterscheiden. Die Idee dahinter: Ein kombiniertes Messgerät, das CO₂, aber auch zusätzlich Stickstoffdioxid (NO₂) detektiert. «Bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht nämlich nicht nur CO₂, sondern auch grosse Mengen an Stickoxiden, nicht jedoch bei der natürlichen ´Atmung´ der Biosphäre, die ausschliesslich CO₂ produziert», so Kuhlmann. Ein zusätzliches NO2-Instrument sollte also in der Lage sein, anthropogene und bio-sphärische CO₂-Signale voneinander zu trennen. Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO₂– und der NO₂-Konzentrationen für das Jahr 2015. Die aufwändigen Simulationen wurden auf dem schnellstem Hochleistungsrechner Europas durchgeführt, dem «Piz Daint» am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano. Dabei konnten die Empa-Forscher zeigen, dass eine Kombination der Messungen von CO₂und NO₂ bessere und verlässlichere Resultate liefert, als wenn nur ein CO₂-Messgerät auf dem Satelliten verbaut wäre. Die Empfehlung für den Einbau eines zusätzlichen NO₂-Messinstruments wurde von der ESA bereits in die Planung der neuen Satelliten übernommen.