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Nanoschnüffler im All
12.07.07 – Brittany Sauser
![Bild 1 [180 x 180 Pixel @ 12,9 KB]](/tr/imgs/08/2/5/4/5/8/1/3bedaba04b6ec3af.jpg)
Wenn ein Raumfahrzeug die Erdatmosphäre verlässt, muss die Crew stets genau darüber informiert sein, welche Stoffe die Außenhülle womöglich durchdrungen haben. Die Gefahr einer Kontamination der Sauerstoffversorgung ist besonders bei langen Missionen gegeben. Zudem können solche Eindringlinge, darunter Gase und Chemikalien, die Instrumente beeinträchtigen.
Wissenschaftler am NASA Ames Research Center und dem Goddard Space Flight Center wollen das Problem nun mit einem neuartigen Nanosensor angehen – dem ersten seiner Art, der auch unter Weltraumbedingungen getestet wird. Jede der Einheiten besteht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nanodrähten, was ihnen eine hohe Empfindlichkeit verleiht.
Im März wurde der Nanosensor-Chip, der nur wenige Gramm wiegt, an Bord des Midstar-1-Satelliten der US-Naval Academy erstmals ins All geschickt. Ende Mai begannen die ersten automatisierten Tests. Laut Jing Li, dem leitenden Wissenschaftler bei dem Projekt, zeigte sich, dass die Komponenten auch unter harten Weltraumbedingungen funktionieren - sie hielten verschiedene Temperatur- und Druck-Zyklen genauso aus wie die extremen Vibrationen und Veränderungen der Schwerkraft beim Start.
Die Entwicklung eines solchen chemischen Sensors aus Nano-Bauteilen sei für die Raumfahrt sehr bedeutsam, meint Joseph Stetter, Direktor des Microsystems Innovation Center am Forschungsinstitut SRI International im kalifornischen Menlo Park. "Das ist ein wertvoller Ansatz, die Probleme direkt im All anzugehen."
NASA-Forscher bauten die Nanosensoren, in dem sie Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit verschiedenen Polymeren überzogen, die auf verschiedene Chemikalien reagieren. Ebenfalls enthalten sind Nanoröhrchen und Nanodrähte aus verschiedenen Katalysator-Metallpartikeln, die als Sensor-Fläche dienten. Insgesamt 32 verschiedene Kanäle stehen auf dem Chip bereit. Je nach Chemikalie, die es zu erkennen gilt, werden verschiedene Nanostrukturen (Kohlenstoff-Nanoröhrchen, beschichtete oder unbeschichtete Metalloxid-Nanodrähte) in jeden Kanal gesteckt. Dann muss die Probe das Sensor-Material nur noch berühren, um gegebenenfalls eine Reaktion auszulösen, die eine elektrische Spannung, der am Sensor anliegt, entweder erhöht oder verringert. Diese Spannungsveränderungen bilden ein Muster, mit dem der Sensor dann zur Identifizierung von Chemikalien und Gasen verwendet werden kann.
Um den Nanosensor zu testen, füllten die Wissenschaftler Stickstoffdioxid in die Kammer, in der sich das Gerät befand. Sobald das Gas Kontakt mit dem Sensormaterial bekam, ließ sich die elektrische Veränderung messen. Neben dem sehr giftigen Stickstoffdioxid wurden mehr als 15 weitere Chemikalien geprüft – darunter Ammoniak, Wasserstoffperoxid, Chlorwasserstoff und Formaldehyd.
Jiri Janata, Professor an der Fakultät für Chemie und Biochemie des Georgia Institute of Technology, sieht entscheidende Vorteile in der Verwendung von Nanoröhrchen in dem Sensor. Die Erkennungsfläche werde so erhöht, was bedeute, dass das Material mehr Chemikalien und Gase absorbieren und dadurch empfindlicher arbeiten könne. Ein weiterer Vorzug: Als Festkörper-Komponenten funktionieren die Nanosensoren bis zu fünf Jahre lang – elektrochemische Sensoren sind bereits nach sechs bis 12 Monaten nicht mehr zu gebrauchen.
Der Sensorchip selbst ist nur einen Quadratzentimeter groß. Mit den anderen notwendigen Komponenten misst das ganze Gerät 6,4 mal 2,5 Zentimeter. Die Technologie arbeitet außerdem drahtlos: Das System überträgt Daten über eine Distanz von bis zu 30 Metern. "Wenig Strombedarf, kleine Größe und geringes Gewicht sind im Weltraum sehr wichtig", meint SRI-Mann Stetter. "Die Idee dabei ist, mehr Funktionalität in ein kleineres Paket zu pressen – auch wegen der hohen Kosten, die Weltraumfracht mit sich bringt."
Die NASA-Forscher hoffen, dass sie den Nanosensor eines Tages auch ins Space Shuttle, die internationale Raumstation ISS oder andere Raumfahrzeuge einbauen können. Ingenieure am Kennedy Space Center haben außerdem bereits ihr Interesse bekundet, den Sensor im Bereich der Shuttle-Startrampe zu verwenden, um Treibstofflecks und Chemikalienaustritte zu erkennen.
Li hält die Technologie des Sensors bereits für weltraumreif. Sie müsse lediglich an die Stoffe angepasst werden, die die NASA erkennen wolle. Dann muss die Technologie allerdings noch durch ein spezielles Qualifizierungsprogramm der US-Weltraumbehörde – für sich genommen bereits eine harte Prüfung.
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