Analyses van omgevingsgassen die voorheen maandenlang laboratoriumwerk vereisten, kunnen nu snel in het veld worden uitgevoerd. Een groep Eawag-wetenschappers heeft een draagbare massaspectrometer ontwikkeld die metingen ter plaatse mogelijk maakt - en er is een spin-off gecreëerd om het nieuwe systeem te commercialiseren.

Wat zijn de effecten van vulkanische gassen die zich ophopen in het Kivumeer in Centraal-Afrika? Hoe functioneert het grondwatersysteem van de Rijn bij Pratteln? Wat is de beste manier om de uitstoot van broeikasgassen van een stortplaats in het noordoosten van Zwitserland te beheersen? Antwoorden op dit soort vragen kunnen worden gegeven door een nieuw ontwikkelde draagbare massaspectrometer - door de onderzoekers genaamd "miniRuedi" - waarmee gas- en watermonsters ter plaatse en in realtime kunnen worden geanalyseerd. Bijvoorbeeld, de concentraties van verschillende gassen zijn bepaald op een stortplaats tijdens een eendaagse meetcampagne. Deze studie ondersteunt de optimalisatiemaatregelen om de stortplaats te beluchten om de vorming van methaan, een sterk broeikasgas.

Systeem in een koffer

Eawag-milieufysicus Matthias Brennwald, die de draagbare massaspectrometer ontwikkelde, legt uit:"Ons instrument, met een gewicht van 13 kilogram en gemonteerd in een verrijdbare koffer, naar de meest afgelegen locaties kan worden gebracht. Zodra het ter plaatse is geïnstalleerd, de Mini-Ruedi kan gassen onmiddellijk en efficiënt meten met behulp van zeer kleine monsters, zodat het de natuurlijke dynamiek van de omgeving niet verstoort." Het systeem, die autonoom kan opereren, biedt continue metingen van een breed scala aan gassen. Zo kunnen de meest geschikte plaatsen en tijdstippen voor bemonstering onmiddellijk worden geïdentificeerd. Ook langdurig gebruik is mogelijk. Zoals Brennwald opmerkt, "Analyses die in het verleden – mede om financiële redenen – ondenkbaar zouden zijn geweest, omdat ze maandenlang laboratoriumwerk zouden hebben gekost – zijn nu ineens mogelijk."

Twee weken in plaats van zes jaar

Bijvoorbeeld, met behulp van de Mini-Ruedi, het Eawag-team had slechts twee weken nodig om een ​​grondwateranalyseproject in Australië te voltooien. Met conventionele methoden en instrumenten, Brennwald schat, het team zou ongeveer zes jaar in het laboratorium hebben gezeten. Niettemin, de precisie van de metingen van het nieuwe systeem is opmerkelijk, met een analytische onzekerheid van één tot drie procent (tegenover één tot anderhalf procent voor een veel duurdere, laboratoriumgebaseerde spectrometer). Andere voordelen van het systeem zijn het lage stroomverbruik (50 watt, niet meer dan een traditionele gloeilamp) en onderhoudsvrije werking. Brennwald benadrukt dat "voor mensen die gewend zijn om met meetinstrumenten te werken, het duurt maar een dag om te leren omgaan met het draagbare systeem."

Kant-en-klare componenten

Hoewel de draagbare massaspectrometer op het eerste gezicht misschien ingewikkeld lijkt, het bestaat eigenlijk uit slechts vier hoofdelementen (Fig. 1). Het binnenkomende gas gaat langzaam door een tien meter lange capillaire buis, doet denken aan de slurf van een olifant (vandaar de naam van het systeem, "Ruedi Rüssel" is een bekende keten van benzinestations in Zwitserland). Twee pompen genereren het vereiste vacuüm in de kamer waar de samenstelling van het gasmengsel en de abundanties van de verschillende gassen worden gemeten. Het elektronische "brein" van het systeem wordt bestuurd door software die door Brennwald zelf is ontwikkeld. Vanaf hier, de resultaten worden overgebracht naar een computer.

Als gassen moeten worden geanalyseerd in watermonsters (bijv. uit meren), een membraan wordt gebruikt om de gassen van het water te scheiden, zodat de delicate componenten van het systeem niet worden blootgesteld aan vocht.

Spin-off Gasometrix opgericht

Slechts twee jaar nadat de Mini-Ruedi voor het eerst in een project werd ingezet, nog eens acht instrumenten zijn nu in gebruik - in totaal vijf bij Eawag en vier aan de universiteiten van Genève en Tübingen en het Mont Terri-rotslaboratorium. Aangezien Matthias Brennwald talloze vragen heeft ontvangen (niet gerelateerd aan Eawag-projecten) over de aanschaf van het systeem, besloot hij – in overleg met Eawag – een spin-off op te richten. Sinds april, hij heeft de draagbare systemen ontwikkeld onder de naam Gasometrix; als een trouwe Eawag-medewerker, hij voegt toe, dit is slechts een bijzaak. De eerste klant die hij voor zijn eigen bedrijf heeft verworven, is de Universiteit van Oxford.

Mini-Ruedi-applicaties over de hele wereld

De Mini-Ruedi kan talrijke gassen kwantificeren – momenteel inclusief helium, argon, krypton, stikstof, zuurstof, koolstofdioxide en methaan - in milieusystemen. Metingen van specifieke gassen kunnen onderzoekers helpen de onderliggende processen van gasvorming te begrijpen. Omdat dit compacte systeem (60 cm x 40 cm x 14 cm; 13 kg) verschillende gassen in minder dan een minuut kan analyseren en op afgelegen locaties kan worden ingezet, het wordt al veel gebruikt (voor voorbeelden van toepassingen in onderzoeksprojecten van Eawag over de hele wereld, zie:gasometrix.com/map/). Het is gebruikt, bijvoorbeeld, voor wateranalyses om grondwatersystemen te beoordelen of om antropogene effecten op waterlichamen te onderzoeken. In een recent project in Tsjechië, bodemmonsters werden geanalyseerd om gasuitademingen uit bronnen te bestuderen. Er zijn ook analyses gepland voor een olie- en gasbedrijf in Noorwegen:hier, gasstromen moeten worden bewaakt, zodat methaan- of kooldioxidelekken kunnen worden opgespoord.