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Entwicklung eines Mid-IR LIDAR-Systems

Das Projekt "Entwicklung eines Mid-IR LIDAR-Systems" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Gruppe für Ultrakurz-Laserpulse und Lichtquellen durchgeführt. Der mittelinfrarote (MID IR) Spektralbereich, der sehr oft als molecular fingerprint Bereich bezeichnet wird, enthält starke Absorptionslinien, die die fundamentale Molekularvibrationen von atmosphärischen Gasen, Dämpfen und anderen Spurengasen und deren Oberschwingungen charakterisieren. Das sind Wasserdampf (H2O), der eine starke Absorption im ganzen Bereich zwischen 2.5 und 3um aufweist, Kohlenmonooxid (CO) mit starken Linien bei 2-2,8um, Stickstoffoxide (N2O) mit mehreren Absorptionslinien zwischen 2-4um. Die Transmissionsfenster der Atmosphäre zwischen 2,1 und 2,4um eignen sich besonders für die Detektion von mehreren atmosphärenverschmutzenden Gasen wie CO, CH4 und HF. Die existierenden LIDAR-Systeme für MID IR benutzen sehr komplizierte, ineffektive und teure OPO-Systeme. Das Fehlen von kompakten, effektiven und durchstimmbaren Laserquellen im MID IR ist das Haupthindernis für die Entwicklung und Anwendung eines LIDAR-Systems in diesem spektralen Bereich. Im Rahmen des Kooperationsprojektes planen wir die Entwicklung eines LIDAR-Systems für 2.1-2.4um mit einem durchstimmbaren Cr:ZnSe-Laser und der entsprechenden Patentdokumentation.

Study of reactions between dry rocks and heat exchange fluids

Das Projekt "Study of reactions between dry rocks and heat exchange fluids" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe, Mineralogisches Institut durchgeführt. Objective: To study the reaction between water and rock in order to obtain a better understanding of reactions that happen in a hot dry rock system. General information: reactions between rocks and heat exchange fluid change both the structure and chemical composition of the heated source rocks. Since the surfaces are of foremost interest, the investigations will be mainly concerned with these. The reaction mechanisms will be determined on the basis of measured reaction rates and reaction products. Major and trace elements will be measured in solution as well as surface structures and secondary minerals. Hdo will be used to study the possible replacement of metal cations by h3o+. Solids and liquids will be analysed with sims and mass spectrometry. See also contracts 0001/b, 0079/b, 0002/d, 0057/uk and 0010/f. Advancement: this contract started on 1.10.86 as a continuation of contract 0002/D. Achievements: The aim of the work has been to get closer understanding of water rock interaction at the conditions of hot dry rock energy exploitation by studying its initial reaction. Investigations have been carried out to prove the idea that during the initial phase of the reaction between feldspars and aqueous fluids an exchange between alkali and alkaline earth cations with hydronium ions takes place building a hydronium feldspar at the very outer layers of the mineral. The compositions of the reaction fluids were measured by atomic absorption spectrometry (AAS) and the investigations on the solid samples were carried out by infrared (IR) spectrometry, X-ray diffractometry (XRD), X-ray Guinier camera and secondary ion mass spectrometry (SIMS). Investigations on thin cleaved fragments with the IR method did not show any change of the absorption bands compared to the starting material. XRD investigations on powdered samples gave some evidence for the existence of (D3O) AlSi3O8 by the splitting of the (201) reflection. However these results were not unambiguous. They could not be substanciated with the X-ray Guinier method. SIMS investigations gave a clear direct indication for the incorporation of deuterium in feldspar along with simultaneous depletion of both potassium and aluminium. This result indicates an exchange reaction of deuterium oxide (D3O) for potassium and a disintegration reaction of the (Al, Si)O4 network to occur simultaneously.

Messungen und Modellierung von Ozon und aktiven Spezies von Fruehjahr bis Herbst - SAMMOA

Das Projekt "Messungen und Modellierung von Ozon und aktiven Spezies von Fruehjahr bis Herbst - SAMMOA" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre durchgeführt. Objective: Problems to be solved: There are still discrepancies between model prediction and observations of the year- round stratospheric ozone decline in mid and high latitudes. In summer, current models still severely overestimate ozone in the polar regions, and this appears as a major deficiency in our ability to model the complete ozone seasonal cycle. The springtime mid-latitude ozone depletion has not been satisfactorily modelled in a quantitative manner. This proposal hence aims at improving our understanding and modelling of ozone loss processes throughout spring and summer, in the northern mid and high latitudes. Scientific objectives and approach: The main scientific objective is to acquire a quantitative understanding of: (i) the mid-latitude ozone depletion accompanying the breakdown of the wintertime polar vortex, especially over Europe, and ii) the Arctic summer ozone deficit and its linkage to midlatitudes. The project relies on using an integrated approach combining ground-based and balloon-borne measurements, global satellite observations, as well as advanced chemical/dynamical modelling and data assimilation. Measurements of ozone, inert gases, or species actively involved in ozone chemistry, are made at three different stations in the Arctic throughout spring and summer. Observational techniques comprise ground-based lidar and infrared spectroscopic measurements, and light-weight balloon-borne instrumentation. Satellite observations complement these local, ground-based and in-situ measurements by allowing to characterise the global, evolving three-dimensional ozone distribution. The satellite data are globally integrated into a transport model through data assimilation. State-of-the-art numerical models are used to investigate the interaction of chemistry and mixing in the spring and summer stratosphere. These models are used to diagnose the ozone loss mechanisms and the overall transport of trace species in spring and summer. Correlative studies of the abundance of various trace species, either modelled or measured, allow to disentangle the effect of mixing from chemical sources and sinks. Expected impacts: The information to be provided by the field campaigns and model studies during SAMMOA will improve the quantification of ozone loss in the stratosphere, a key science priority in support of the Montreal protocol. This project will particularly impact on understanding of ozone depletion in spring and summer, when it is most harmful. It is indeed in the summertime, that human exposure to UV radiation is largest in middle latitudes. Modelling improvements shall result in better assessment and prediction of the ozone trend and recovery in support of regulatory protocols. Prime Contractor: Norwegian Institute for Air Research; Kjeller.

Teilprojekt 3

Das Projekt "Teilprojekt 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Wacker Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die stoffliche Nutzung von CO2 durch eine neue Synthese von Acrylsäure bzw. Natriumacrylat. Bei einem Massenanteil von 61 Prozent im Zielmolekül könnten bei einem Marktvolumen von ca. 4 Millionen Tonnen bei einer erfolgreichen Einführung dieser Technologie bedeutende Mengen an CO2 stofflich genutzt werden. Da Ethylen auch auf Basis von Bioethanol hergestellt werden kann, ist so die vollständige Umstellung der Acrylsäuresynthese auf regenerative Rohstoffe möglich. Das vorliegende Arbeitspaket untersucht, ob bei Verwendung neuer alternativer Liganden, z. B. einfacher s-Donatoren (Amine, hochsubstituierte Phosphane etc.), der Katalysezyklus vervollständigt werden kann. Dabei sollen neben stöchiometrischen Mengen an alkylierenden Agentien auch Säuren zur Ringöffnung eingesetzt werden. Wesentliches Kriterium dieses Arbeitspakets ist die Verfolgung der Reaktion mittels in-situ-Methoden online ATR-IR-Spektroskopie, kombiniert mit NMR-Spektroskopie und ESI Massenspektrometrie zur Produktquantifizierung. Daher sollen monoanionische Liganden (N--O, P--O etc.) insbesondere in Verbindung mit Fe(Ru)(II) und Rh, Ir(I) untersucht werden. Durch die zusätzlichen ionischen Wechselwirkungen erhöht sich die Metall/Ligand-Stabilität und die oxidative Addition. Die reduktive Eliminierung in den Redoxpaaren Rh(Ir)(I) / Rh(Ir)(III) wird erleichtert. Zudem werden dinucleare Komplexe auf ihre Eignung zur Kupplung von CO2 mit Olefinen untersucht.

Teilprojekt 4

Das Projekt "Teilprojekt 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Center für Silizium Photovoltaik CSP durchgeführt. Im Projekt werden Probenentnahmestrategien für die Untersuchung des Eintrags, des Transports und der Anreicherung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt entwickelt. Das wesentlichste Bindeglied ist die Probenentnahme, sie stellt eine erste relevante Fehlerquelle im Nachweisverfahren für MP dar. In diesem Rahmen bestehen für das CSP folgende Forschungsschwerpunkte: i) Entwicklung und Optimierung von neuartigen Siliziumfiltern für die Probenentnahme aus Wasser und Luft für die Analyse von Mikroplastik, ii) Charakterisierung der Filter auf Ihre mechanischen und filtrationsspezifischen Eigenschaften, iii) Repräsentative Analytik an entnommenen MP-Proben. Im Rahmen des Projektes werden am Fraunhofer CSP Filter mit definierten Lochdichten und -größen entwickelt. Dabei sollen die Filter Anforderungen genügen, die durch die nachfolgend an dem entnommenen Probenmaterial durchgeführte Analytik, bestimmt werden. Die Filter sollen MP-Partikel fraktioniert aus einem strömenden Fluid entnehmen. Um die notwendige Lochgröße zu erzeugen, werden Laserprozesse bzw. Kombinationen aus Laser- und Ätzprozesses entwickelt, die eine zeiteffiziente und schädigungsarme Prozessierung des Filtermaterials (Si-Wafer) ermöglichen. Zu den Anforderungen an die Filter für die Analytik der MP-Partikel gehört insbesondere die Transparenz im nahen Infrarot für IR-spektroskopische Methoden wie der ?-Raman-Spektroskopie oder der Fourier-Transform-IR-Spektroskopie (FTIR). Eine weitere wichtige Kenngröße für die Qualität der Filter ist die mechanische Festigkeit. Die Lastzustände, die auf Grund der strömenden Flüssigkeit während der Probenentnahme entstehen, dürfen keinen Bruch der Filter zur Folge haben. Aus diesem Grund soll der Einfluss der eingebrachten Löcher auf die Festigkeit des Filters untersucht und verstanden werden. Ziel ist eine auf ein gutes Festigkeitsverhalten optimierte Lochgeometrie bzw. eine optimiertes Layout der eingebrachten Löcher. Im Projekt wird an entnommenen MP-Partikeln repräsentativ Analytik durchgeführt. Zu den angewandten analytischen Methoden gehören ?-Raman, ToF-SIM, XPS sowie FTIR. Die entwickelten Si-Filter dienen hierbei direkt als Substrat. Ein Arbeitsziel ist die Entwicklung eines Arbeitsablaufs nach der Probenentnahme (Nachpräparation, laserbasierte Vereinzelung, Reinigungsschritte), der eine zeiteffiziente, reproduzierbare Anwendung verschiedener Analytikmethode an MP-Partikeln ermöglicht.

Ground-based remote sensing measurements of CO2 and CH4 using the moon as light source during the polar night

Das Projekt "Ground-based remote sensing measurements of CO2 and CH4 using the moon as light source during the polar night" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Institut für Umweltphysik durchgeführt. Throughout the last years measurement techniques have been developed to measure total columns of atmospheric CO2 and CH4 with sufficient precision using the ground-based solar absorption remote sensing spectrometry in the near-infrared spectral region. These observations are internationally organized in the Total Column Carbon Observing Network (TCCON). These observations have been initiated for the satellite validation, because they sample the atmosphere in a similar way as satellites. However, the measurements itself have been found extremely valuable to investigate the sources and sinks of the trace gases, because the interpretation of the ground-based total column data depend to a less extent on assumptions on the vertical mixing in the atmosphere compared to surface in-situ data. We perform such observations at our site in the high Arctic on Spitsbergen (79°N). However, during the polar night from October until mid-March no observations can be performed, because the sun is below the horizon. Since the seasonal cycle of CO2 is largest in the high northern latitudes the lack of total column data for the winter period limits our understanding of the carbon budget. Within this project we plan to modify the measurement and analysis technique to measure the total columns of CO2 and CH4 in the near-infrared using the moon as light source during the polar night. This will allow us to perform observations on +-3 days around full moon, and thus, obtain data throughout the polar night for about three full moon periods. This allows measuring the complete seasonal cycle of total column measurements of CO2 and CH4 in the high Arctic, which is not known so far. Finally, the whole set of data will be compared to the existing in-situ surface data at that site and both data sets, in-situ and total column, will be compared with appropriate models.

Sustainable Chemistry by XES

Das Projekt "Sustainable Chemistry by XES" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Fachbereich Chemie durchgeführt. Sus-XES beschreibt den Bau eines dispersiven von Hamos-Spektrometers für die Untersuchung nachhaltiger katalytischer Prozesse zur Erzeugung grüner Treibstoffe mittels resonanter und nicht-resonanter Röntgenemissions-Spektroskopie. Diese Methodik erlaubt ein genaues Abbild der elektronischen Struktur an Metallzentren von Metallkomplexen zur photokatalytischen Wasser-Reduktion. Solche Reaktionen, die molekularen Wasserstoff aus Wasser produzieren, sind für eine zukünftige, nachhaltige Energieversorgung unabdingbar. Die rationale Verbesserung entsprechender Systeme setzt aber eine genaue Kenntnis ihrer Wirkungsmechanismen voraus. Die Aufklärung der Elektronenverteilung am katalytischen Zentrum durch Röntgenemission wird hierzu wichtige Beiträge liefern. Das hierzu nötige von Hamos-Spektrometer ist momentan an keiner nationalen Quelle verfügbar. Es soll deshalb an Hamburger Synchrotron PETRA III aufgebaut und eine Probenumgebung geschaffen werden, die Messungen an der lichtgetriebenen Wasserreduktion in einem breiten Bereich von Zeitskalen ermöglicht. Damit wird auch ein wichtiger Grundstein für die Untersuchung nachhaltiger ultraschneller Reaktionen am freien Röntgenlaser XFEL in Hamburg und anderen internationalen Quellen gelegt. Die erzielten Ergebnisse werden es deshalb mittel- und langfristig erlauben, durch rationales Design definierter elektronischer Katalysatorstrukturen, Prozesse zur Wasserstoffgenerierung durch Sonnenlicht zu optimieren. Experimente zur Untersuchung photokatalytischer Wasser-Spaltungsreaktionen werden zu diesem Zweck so angepasst, dass entsprechende Reaktionen am Synchrotron unter Bestrahlung mit Sonnenlicht und Analyse der entstehenden Gase durchgeführt werden können. Die simultane Kombination von Röntgenemission und IR-Spektroskopie wird ein tieferes Verständnis erlauben, als eine der beiden Methoden allein.

Teilprojekt 1

Das Projekt "Teilprojekt 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von IRPC Infrared - Process Control GmbH durchgeführt. Das Verbundprojekt verfolgt gemäß der Richtlinie des BMEL über die Förderung von Innovationen in der Agrartechnik zur Steigerung der Ressourceneffizienz das Ziel, kostengünstige, miniaturisierte stationäre und mobile Sensoren sowie die dazugehörige Mess- und Regeltechnik als auch eine Dateninfrastruktur zu entwickeln, um ein flächendeckendes Güllemanagement realisieren zu können. Die entwickelten Sensoren nutzen hierzu Spektroskopie im aussagekräftigen mittelinfraroten (MIR) Bereich und das Prinzip der abschwächenden Totalreflexion aus. Insgesamt kann durch das Vorhaben der gezielte Einsatz der natürlichen Ressource Gülle verbessert sowie eine Überdüngung vermieden werden und es wird eine nachhaltige Agrarwirtschaft erreicht. Durch die online Analyse und die geschaffene Dateninfrastruktur werden die z.B. durch anstehende Änderungen in der Düngeverordnung zukünftig steigenden Anforderungen an die Landwirte erleichtert und die Förderbereiche 'Technik und umweltgerechte Landbewirtschaftung' und 'Verbesserungen der Rahmenbedingungen für Innovationen' abgedeckt.

Teilprojekt 2

Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hugo Vogelsang Maschinenbau GmbH durchgeführt. Das Verbundprojekt verfolgt gemäß der Richtlinie des BMEL über die Förderung von Innovationen in der Agrartechnik zur Steigerung der Ressourceneffizienz das Ziel, kostengünstige, miniaturisierte stationäre und mobile Sensoren sowie die dazugehörige Mess- und Regeltechnik als auch eine Dateninfrastruktur zu entwickeln, um ein flächendeckendes Güllemanagement realisieren zu können. Die entwickelten Sensoren nutzen hierzu Spektroskopie im aussagekräftigen mittelinfraroten (MIR) Bereich und das Prinzip der abschwächenden Totalreflexion aus. Insgesamt kann durch das Vorhaben der gezielte Einsatz der natürlichen Ressource Gülle verbessert sowie eine Überdüngung vermieden werden und es wird eine nachhaltige Agrarwirtschaft erreicht. Durch die online Analyse und die geschaffene Dateninfrastruktur werden die z.B. durch anstehende Änderungen in der Düngeverordnung zukünftig steigenden Anforderungen an die Landwirte erleichtert und die Förderbereiche 'Technik und umweltgerechte Landbewirtschaftung' und 'Verbesserungen der Rahmenbedingungen für Innovationen' abgedeckt.

NIR-Spektroskopie an Sandsäulen

Das Projekt "NIR-Spektroskopie an Sandsäulen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Institut für Umweltphysik durchgeführt. Evaluierung der NIR-Spektroskopie zur Messung von Wassergehalt und energetischem Zustand von Wasser in Sandsäulen.

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