Vorpumpe für zwei Massenspektrometer Goethe-Universität Frankfurt nutzt Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10

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Die Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10 unterstützt als Vorpumpe zwei Massenspektrometer parallel. (Quelle: Goethe-Universität Frankfurt)
Die Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10 unterstützt als Vorpumpe zwei Massenspektrometer parallel. (Quelle: Goethe-Universität Frankfurt)

Welche und wie viele halogenierte Kohlenwasserstoffe kommen in unterschiedlichen Schichten der Atmosphäre vor? Fragen wie dieser geht die Arbeitsgruppe Experimentelle Atmosphärenforschung der Goethe-Universität Frankfurt nach. Forscherinnen und Forscher messen Luftproben aus Bodenstationen, Flugzeugen und Ballonen. Die Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10 unterstützt im Gaschromatographischen Labor als Vorpumpe gleich zwei Massenspektrometer parallel. In unserem Interview gibt Professor Andreas Engel, Leiter der Arbeitsgruppe, einen Einblick in seine Forschung.

Was ist das Ziel Ihrer Forschung?

Professor Andreas Engel: Wir interessieren uns für halogenierte Kohlenwasserstoffe in der Atmosphäre. Die bekanntesten dieser Gase sind wohl die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Manche kennen sie noch von den Debatten aus den 80er und 90er Jahren, als es um den Ozonabbau in der Stratosphäre ging. Das „Ozonloch“ gibt es immer noch, wobei es heute nicht mehr so häufig in der Presse vorkommt. Mittlerweile wissen wir, dass diese Gase auch extrem starke Treibhausgase sind. Ein Kilogramm FCKW in die Atmosphäre freigesetzt, hat ungefähr den gleichen Effekt wie 5 bis 10 Tonnen CO2. Deswegen ist es wichtig, Konzentration und Konzentrationsverlauf dieser und anderer Gase in der Atmosphäre genau zu kennen. Entsprechende Messungen helfen auch bei der Überprüfung, ob globale Abkommen eingehalten werden – wie das Montrealer Protokoll zum Schutz der Ozonschicht oder die Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (UNFCCC) zur Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen.

Welche Messungen führen Sie durch?

Professor Andreas Engel: Wir sammeln Luftproben aus unterschiedlichen Schichten der Atmosphäre – an Bodenmessstationen, Flugzeugen und Ballonen. Regelmäßige Proben erhalten wir von unserem eigenen Taunus-Observatorium auf dem Kleinen Feldberg. Dieses gehört zum internationalen Messnetzwerk „Advanced Global Atmospheric Gases Experiment“ (AGAGE). Dadurch erhalten wir auch Luftproben aus dem Ausland wie beispielswiese der Forschungsstation Mace Head in Irland.

Wir ermitteln den Gehalt an halogenierten Kohlenwasserstoffen in unseren Luftproben mithilfe von Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie. Die Kunst dabei ist, sehr präzise zu messen: im Ultraspurenbereich besser als sub-ppt. Das bedeutet, dass wir in mehr als einer Trillion Teilchen noch ein Teilchen detektieren können. Um eine hohe Genauigkeit zu erhalten, messen wir zusätzlich Referenzproben anhand kalibrierter Standards.

Massenspektrometer

Ein Massenspektrometer ist ein Gerät, um bei bekannter Ladung die Masse von Atomen oder Molekülen in ionisiertem Zustand zu bestimmen. Als Ergebnis erhält man ein sogenanntes Massenspektrum. Dieses ist eine grafische Darstellung der Intensität der Ionen in Abhängigkeit des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses. Massenspektrometer benötigen ein stabiles Hochvakuum, teilweise bis zu 10-9 mbar.

Welche Arten von Massenspektrometern verwenden Sie?

Professor Andreas Engel: In unserem Labor an der Goethe-Universität Frankfurt haben wir eine Besonderheit. Hinter dem Chromatographen trennen wir den Gasfluss und betreiben zwei Massenspektrometer parallel: Ein Quadrupol-Massenspektrometer misst nur ein bestimmtes Verhältnis von Masse und Ladung. Damit können wir also lediglich Substanzen sehen, die wir auch erwarten. Deswegen verwenden wir parallel dazu ein Flugzeitenmassenspektrometer. Dieses misst alle Massen gleichzeitig – 20.000 Massenspektren in der Sekunde. Darüber können wir alle Substanzen erfassen und verfügen über viel mehr Information. Dieses „digitale Luftarchiv“ können wir auch retrospektiv heranziehen, falls zu einem späteren Zeitpunkt zusätzliche Daten ausgewertet werden sollen.

Professor Engel im Gaschromatographischen Labor mit der Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10 als Vorpumpe für Massenspektrometer (Quelle: Goethe-Universität Frankfurt)
Professor Engel im Gaschromatographischen Labor mit der Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10 als Vorpumpe für Massenspektrometer (Quelle: Goethe-Universität Frankfurt)

Inwiefern ist VACUU·PURE eine optimale Lösung für Sie?

Professor Andreas Engel: Unsere Massenspektrometer benötigen ein stabiles Hochvakuum bis 10-7 mbar. Dafür setzen wir Turbomolekularpumpen ein, welche wiederum eine Vorpumpe benötigen. Für diesen Zweck hat einer unserer Techniker die neue Schraubenpumpe VACUU·PURE vorgeschlagen – mit den Worten „Das ist doch genau, was wir brauchen“. Das Schöne ist nämlich, dass wir mit der Schraubenpumpe VACUU·PURE beide Massenspektrometer parallel betreiben können. Wie benötigen nur noch eine Vorpumpe und nicht mehr für jedes Massenspektrometer eine eigene.

Darüber hinaus hat die Schraubenpumpe mit 10-3 mbar ein deutlich besseres Vakuum als die bisher verwendeten Membranpumpen mit ungefähr 1,5 mbar. Wir erkennen, dass die Leistungsaufnahme der Turbopumpe dadurch um ca. 25% gesunken ist. Sie muss nicht mehr so stark arbeiten, was sich sicher auch positiv auf ihre Lebenszeit auswirken kann.

Was ist Ihnen bei der Vorpumpe außerdem wichtig?

Professor Andreas Engel: Was mich wirklich überzeugt hat, ist die Wartungsfreiheit. Wir verwenden VACUU·PURE seit ungefähr anderthalb Jahren und haben tatsächlich noch keine Probleme gehabt. Wartungen bedeuten einen Eingriff ins ganze System, den wir möglichst vermeiden möchten. Denn wenn wir das Quadrupol-Massenspektrometer herunterfahren, dauert es einen halben Tag, bis es wieder operationell ist – beim Flugzeitmassenspektrometer sogar zwei Tage. Deswegen halten wir unsere Massenspektrometer ständig unter Vakuum.

Auch die trockene Technologie der Schraubenpumpe VACUU·PURE ist für uns entscheidend. Unkontrollierte Kohlenwasserstoffe würden unsere Proben verunreinigen und das Messergebnis verfälschen und unbrauchbar machen. Deswegen ist die Ölfreiheit für uns sehr wichtig.

Verwenden Sie noch weitere Produkte von VACUUBRAND?

Professor Andreas Engel: Ja, auf unserem deutschen Forschungsflugzeug HALO zur Messung atmosphärischer halogenierter Spurengase. Wir sammeln Luftproben bis 15 Kilometer Höhe und messen sie direkt vor Ort. Für das Gaschromatographie-Massenspektrometrie-System an Bord verwenden wir die MD 1 als Vorpumpe. Wir haben bisher sehr gute Erfahrungen mit VACUUBRAND gemacht.

Wir danken Professor Andreas Engel und der Goethe-Universität Frankfurt für das Gespräch.

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