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Donnerstag, 21. Februar 2019

Sensorik

Mit der elektronischen Nase auf Schnüffeltour

Von Hans W. Mayer | 17. Mai 2018 | Ausgabe 20

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben einen Sensor nach dem Vorbild der menschlichen Nase entwickelt.

Bildartikel zu KIT.Künstl.Nase.jpg
Foto: KIT

Prototyp: Das kleine helle Rechteck ist der Sensorchip, der aus Hunderten von Einzelsensoren besteht und Gerüche identifizieren kann.

Verdient der angeblich fangfrische Seelachs dieses Prädikat wirklich? Diese Frage lässt sich womöglich schon in naher Zukunft mit dem Smartphone beantworten. Allerdings nur, wenn es über eine integrierte elektronische Nase verfügt, wie sie jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt haben. Sie besteht aus einem wenige Zentimeter großen Sensorchip mit vielen Einzelsensoren, auf denen Nanodrähte aus Zinndioxid aufgebracht sind.

Wird die elektronische Nase mit speziellen Gerüchen – also komplexen Gasgemischen, die ein individuelles Signalmuster bilden – konfrontiert, errechnet der Chip über die Veränderung des elektrischen Widerstands der Einzelsensoren innerhalb von Sekunden, um welchen Geruch es sich handelt. Frisch aufgebrühter Kaffee oder blühende Rosen werden ebenso zuverlässig erkannt wie verdorbene Lebensmittel oder Zigarettenqualm. Voraussetzung für diese olfaktorische Meisterleistung ist allerdings, dass das jedem Geruch eigene unverwechselbare Signalmuster dem Chip zuvor angelernt wurde.

Gestartet wird die elektronische Nase, wenn eine in das Sensorgehäuse integrierte Leuchtdiode die Nanodrähte mit UV-Licht bestrahlt. Dadurch sinkt der ursprünglich sehr hohe elektrische Widerstand des Zinndioxids, so dass Änderungen überhaupt erst ermittelt werden können. Verursacht werden sie durch für den jeweiligen Geruch verantwortliche Moleküle, die sich auf der Oberfläche des Zinndioxids anlagern.

„Detektiert der Sensor einen Geruch, so sinkt der Widerstand noch weiter ab“, erläutert der Physiker Martin Sommer, der am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT das Projekt „Smell Dect“ betreut. „Verschwindet der Geruch wieder, stellt sich der ursprüngliche Zustand mit hohem elektrischem Widerstand wieder her, die elektronische Nase ist für neue Geruchsmessungen einsatzbereit.“

Vorbild für die Karlsruher Forscher war das menschliche Riechorgan mit seinen rund 10 Mio. Riechzellen und etwa 400 unterschiedlichen Geruchsrezeptoren. Diese erzeugen spezifische Signalmuster, die dann vom Gehirn einem bestimmten Geruch zugeordnet werden. Im Karlsruher Institut für Mikrostrukturtechnik sieht man für die elektronische Nase eine Fülle von Einsatzmöglichkeiten im industriellen wie privaten Bereich, die weit über die des bereits 2015 zur Serienreife entwickelten Vorläuferprojekts „Smoke Sense“ hinausreichen, eines intelligenten Brandmelders, der Schwel- und Brandgase aufspüren kann. Marktreif soll die Kunstnase noch in diesem Jahr werden, bis zum privaten Alltagseinsatz im Restaurant oder in der Markthalle dürfte es allerdings noch ein paar Jahre dauern.