Das LZH hat mit der Laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) mittels Doppelpulslaser eine Methode entwickelt, um wertvolle Metalle wie z.B. Kupfer und Zink, umweltfreundlich in 6.000 Metern Tiefe unter dem Meeresspiegel zu analysieren. Diese Materialien werden für die Herstellung von Komponenten für die E-Mobilität, unter anderem für Elektro-Autos, und für die Windenergie benötigt. Das im Rahmen eines DFG-Projekts erforschte Verfahren ermöglicht eine Materialbestimmung in Echtzeit. Um die Methode zu testen, bauten die Wissenschaftler:innen vom LZH und dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP) in Greifswald einen Versuchsstand auf. In diesem simulieren sie erstmalig in einer Druckkammer bis 600 bar Bedingungen am Meeresboden. Das LIBS-System soll die aufwändige Probennahme am Meeresboden ersetzen, bei der bislang Tauchroboter, oft ROV‘s (remotely operated vehicle, ferngesteuertes Fahrzeug), mit Greifarmen Proben entnehmen, die anschließend an Bord eines Forschungsschiffes oder an Land untersucht werden.
Die Doppelpuls-Technik des neuen Ansatzes nutzt zwei Laserpulse: Der erste Puls erzeugt eine Gas-Dampf-Umgebung (Luftblase) im Wasser an der Materialoberfläche, eine so genannte Kavität. Der zweite Puls verdampft Material von der Oberfläche der Probe im Inneren dieser Kavität und erzeugt ein Plasma, welches die Elemente für die Spektroskop-Analyse enthält. Eine Herausforderung ist dabei der hohe Druck unter Wasser, der es schwierig macht, aussagekräftige Spektren mit geeigneter Intensität für eine präzise Analyse zu erzeugen.
Optimiert für den Tiefsee-Einsatz
Im Zentrum der aktuellen Forschung steht die Analyse von Materialien unter Nutzung von Laserpulsen mit Energien von bis zu 150 Millijoule bei einem Druck von bis zu 600 bar. Dieser herrscht in Tiefen von 6.000 Metern unter der Wasseroberfläche. Durch die Anpassung der Laserparameter konnte das Team die Messungen für den hohen Tiefseedruck optimieren. Kurze Verzögerungen von 0,5 Mikrosekunden zwischen den Laserpulsen und die präzise Anpassung der Messstartzeitpunkte für das Spektrometer sind dabei entscheidend für die Qualität der gewonnenen Daten.
Die Ergebnisse des Projekts werden in dem informativen Video zusammengefasst. Es gewährt Einblicke in die Tiefseeforschung und veranschaulicht, welche neuen Erkenntnisse Forschende mithilfe moderner Lasertechnologie über den Meeresboden gewinnen können.
Die Forschungsergebnisse wurden unter anderem in der Fachzeitschrift "Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy" veröffentlicht (DOI: 10.1016/j.sab.2024.106877). Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer 454848899 finanziert.
Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Bauen und Digitalisierung geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen fast 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.
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