Neue Nano-Nasen

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Sensoren überflügeln mittlerweile in vielen Bereichen unsere Sinnesorgane. Beim Riechen haben wir aber die Nase noch vorne. Ein neuer, massenmarkttauglicher Sensorchip könnte jetzt allerdings unser liebstes Spielzeug zum tatsächlichen „Schnüffler“ machen.

Zehn Millionen Riechzellen mit vierhundert unterschiedlichen Geruchsrezeptoren erzeugen Signalmuster, die unser Gehirn in die entsprechenden Gerüche übersetzt. Diese hochempfindlichen Sinnesorgane entstanden im Laufe von Jahrmillionen. Nicht ganz so lange benötigten Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Projekt „smelldect“ für die Entwicklung der elektronische Variante des Riechapparats.

Das Prinzip ist das Gleiche: Ein chemisches Signal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Erste E-Nasen entwickelten Forscher an der University of Warwick bereits 1982. Sie bestanden schon aus drei Metalloxidsensoren. Mittlerweile basieren die heute am Markt angebotenen „Schnüffler“ auf verschiedensten Technologien. Die wohl bekannteste Anwendung sind Luftgütesensoren in Fahrzeugen. Sie initiieren meist in Tunnels oder bei hoher Verkehrsdichte den sogenannten Umluftbetrieb, wenn die Konzentration von Kohlenmonoxid, Stickoxiden oder Kohlenwasserstoffen einen gewissen Wert überschreitet.

Elektronische Nasen im Smartphone

Elektronische Nasen
Im Sensorchip reagieren Nanodrähte mit Gerüchen – also komplexen Gasgemischen. (Bild: Martin Sommer, KIT).

Auf ein breiteres Anwendungsspektrum zielen die elektronischen Nasen vom KIT. Sie sollen in Zukunft massenmarkttauglich und preiswert beispielsweise in Elektrogeräten Kabelbränden vorbeugen oder in Smartphones an der Fischtheke als Einkaufshelfer fungieren.

Dazu reagiert ein Array von einzelnen Sensoren mit Nanodrähten aus Zinndioxid auf die verschiedenen Moleküle in der Umgebungsluft mit charakteristischen Widerstandsänderungen. Diese ergeben zusammengefasst ein geruchsspezifisches Signalmuster, das – vorher in den Chip „eingelernt“ – der Geruchssensor innerhalb von Sekunden erkennt.

Um das Verfahren in Gang zu bringen, bestrahlt eine in das Sensorgehäuse integrierte Leuchtdiode die Nanodrähte mit UV-Licht. Dadurch sinkt der ursprünglich sehr hohe elektrische Widerstand des Zinndioxids soweit, dass die von den Molekülen winzigen Änderungen ermittelt werden können. Nimmt der Sensor dann einen Geruch wahr, sinkt der Widerstand. Verschwindet der Geruch, stellen sich schnell die ursprünglichen Verhältnisse wieder ein. Die „Nase“ ist also wieder offen für eine neue Messung.

Flexibel durch Training

Der Sensorchip kann auf viele unterschiedliche Gerüche trainiert werden. Deswegen decken die möglichen Anwendungen auch ein breites Spektrum ab. Darunter fallen etwa die Überwachung der Raumluft, der Einsatz als Brandmelder oder die Nahrungsmittelkontrolle. Selbst als funktionale Roboternase wäre er geeignet. Da Geruch aber nicht gleich Geruch ist – eine Rose etwa bei Sonnenschein anders riecht als bei Regen – muss die elektronische Nase momentan jeweils für spezifische Einsatzzwecke trainiert werden, die jedoch universell wählbar sind.

Zum Projekt

Bei der industriellen Herstellung und dem Vertrieb unterstützen die Projektpartner JVI-Elektronik und FireEater das KIT. Beide haben bereits 2015 zusammen mit dem KIT im EU-Projekt „SmokeSense“ elektronische Nasen als Basis von intelligenten Brandmeldern verwendet. Sie spüren Schwel- und Brandgase auf und bieten zudem eine zuverlässige Analyse des brennenden Materials.

 

 

Elektronische Nasen

Elektronische Nasen nehmen wie die menschliche Nase komplexe Gasgemische wahr. (Bild: Amadeus Bramsiepe, KIT).