HELMHOLTZ-PREIS 1993 (Preisverleihung am 15.03.1993)
Dr. Hans Güsten, Prof. Dr. Ulrich Schurath für die Arbeit „Ein neuartiger Ozonsensor für vielfältige Anwendungen in der Umwelt“

Preisträger 1993: Ein neuartiger Ozonsensor

Hans Güsten (li.), geboren 1931 in Den Haag, studierte von 1953 bis 1959 Chemie in Mainz, ging nach dem Diplom 1960 an die Universität Karlsruhe und promovierte 1964. Von 1965 bis 1968 leitete er im Institut für Strahlenchemie des Kernforschungszentrums Karlsruhe die photochemische Arbeitsgruppe. Von 1968 bis 1970 war er in Palo Alto am Synvar Research Institute und an der Stanford University tätig. Ab 1971 leitete er am Kernforschungszentrum eine Arbeitsgruppe für nicht-nukleare Umweltforschung in Luft und Wasser. In dieser Zeit begann seine Zusammenarbeit mit Ulrich Schurath von der Universität Bonn. 1996 wurde er pensioniert, leitete aber bis 1998 Arbeiten in der Atmosphärenchemie.

Ulrich Schurath (re.), 1939 in Sofia geboren, studierte Chemie an der Universität Bonn, wo er 1969 promovierte. Danach erforschte er an der „Großen Bonner Kugel“ Gasreaktionen bei extrem niedrigen Drucken. Er habilitierte 1977 für das Fach Physikalische Chemie und wurde 1978 in Bonn auf eine Professur berufen. Seine Arbeitsgruppe erforschte physikalisch-chemische Prozesse in der Atmosphäre und führte quantenchemische und spektroskopische Untersuchungen durch. 1995 wurde er an die Universität Heidelberg und ans Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Forschungszentrums Karlsruhe berufen. 2006 trat er in den Ruhestand.

Ozon ist ein allgegenwärtiger, wenn auch rarer Bestandteil der Erdatmosphäre. Am Erdboden in reiner Luft enthält jeder Kubikmeter Luft ca. 30 mm3 Ozon, was einem Mischungsverhältnis von 30 ppb (parts per billion) entspricht. Während die direkte Wirkung dieses Gases in höherer Konzentration auf Lebewesen schädlich ist, bildet das stratosphärische Ozon einen lebenswichtigen Schutzschild gegen die gefährliche UV-Strahlung der Sonne. Veränderungen des Ozongehalts in allen Schichten der Atmosphäre sind deshalb von großem Interesse und sollten zuverlässig gemessen werden. Einen hochempfindlichen, kompakten und schnell ansprechenden Ozonsensor entwickelten Dr. Hans Güsten vom Kernforschungszentrum Karlsruhe und Prof. Dr. Ulrich Schurath von der Universität Bonn Anfang der 1990er Jahre. Für ihre Arbeit wurden sie mit dem Helmholtz-Preis 1993 im Bereich „Physikalische Messtechnik in Medizin und Umweltschutz“ ausgezeichnet.

Der neuartige Sensor nutzte die Chemolumineszenz, die das Ozon in Reaktion mit bestimmten organischen Farbstoffen erzeugt. Dazu wurde die ozonhaltige Luft mittels eines kleinen Ventilators mit hoher Geschwindigkeit in das lichtdicht verschlossene Innere des Sensors gesaugt. Dort strömte die Luft an dem Sensorkopf vorbei, der aus einer 2,5 cm großen mit Silicagel beschichteten Platte bestand, auf welcher der im blauen Spektralbereich emittierende organische Farbstoff Coumarin 47 absorbiert war. Das Ozon generierte mit dem Farbstoff ein schwaches bläuliches Leuchten, die Chemolumineszenz, die von einem Photomultiplier registriert wurde.

Der Sensor hatte eine Reihe von günstigen Eigenschaften. Er war kompakt und etwa so groß wie eine Zigarrenkiste, wog weniger als 1 kg und verbrauchte weniger als 20 Watt, wohingegen gängige Ozondetektoren 15 kg wogen und 100 Watt verbrauchten. Außerdem war der Sensor schnell und empfindlich: Seine Ansprechzeit war kürzer als 0,1 s und seine Nachweisgrenze lag unter 0,1 ppb, während übliche Ozonmessgeräte Ansprechzeiten von 20 s und Empfindlichkeiten von 1 ppb aufwiesen. Dadurch ließen sich mit dem neuartigen Sensor schnelle Konzentrationsänderungen zeitlich auflösen, wie sie z. B. bei Ozonmessungen mit einem Flugzeug auftreten. Der Ozonsensor eignete sich auch hervorragend für Vertikalsondierungen in der Erdatmosphäre, bei denen man einen Sensor z. B. mit einem Ballon aufsteigen und, nach dem Platzen des Ballons in der Stratosphäre in 40 km Höhe, an einem Fallschirm herabschweben lässt. Die beim Auf- und Abstieg aufgezeichneten Ozonprofile sind nahezu identisch.

Doch auch zur Überwachung der Ozonkonzentration in der Biosphäre oder am Arbeitsplatz eignete sich der Sensor. So wurden mit ihm kontinuierlich die vertikalen Ozonflüsse in ein Sonnenblumenfeld gemessen oder die schnellen Ozonkonzentrationsänderungen im Arbeitsfeld eines Schweißers überwacht. Der Ozonsensor von Güsten und Schurath wurde kommerziell verwertet und von anderen Forschungsinstituten nachgebaut und weiterentwickelt.

Literature

Hans Güsten, Ulrich Schurath: Ein neuartiger Ozonsensor für vielfältige Anwendungen in der Umwelt. PTB-Mitteilungen 103, (1993), 324