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Die Ausgangssituation: Was ist die ökologische Herausforderung?
Der durch den Menschen verursachte Verbrauch fossiler Brennstoffe erzeugt ungefähr acht Gigatonnen atmosphärischen Kohlenstoffs pro Jahr. Die arktischen Dauerfrostgebiete speichern jedoch mindestens 600, die Ozeane sogar mehr als 11.000 Gigatonnen pro Jahr. Bereits die Freisetzung eines Bruchteils der gebundenen Kohlenstoffverbindungen aus diesen natürlichen Quellen – etwa aufgrund einer Temperaturerhöhung – würde zu gravierenden Klimaeffekten führen. Inzwischen gibt es Hinweise für den Austritt von Treibhausgasen aus genau diesen Quellen. Eine Messung des Isotopenverhältnisses würde es erlauben, diese Abflüsse eindeutig auf die Art der Quelle zurückzuführen.
Die Idee: Welchen Beitrag kann KI konkret leisten?
Es ist eine erhebliche Erweiterung und Verfeinerung der bisherigen Messungen von Kohlenstoffdioxid und einigen Kohlenwasserstoffen angebracht, um den Ursprung verschiedener Quellen von Treibhausgasen künftig besser erfassen zu können. Dies betrifft vor allem die Quellen, die saisonal und lokal mit der Temperatur sowie Umweltbedingungen variieren.
Das bisher gängige Verfahren für den Nachweis von Kohlenstoffisotopen und gleichzeitig die einzige kommerziell verfügbare Technik ist seit 30 Jahren die so genannte Isotope-Ratio Mass Spectrometry (IRMS). IRMS ist zwar außerordentlich genau, jedoch teuer und komplex in der Anwendung und wird daher üblicherweise in einem externen Labor ausgeführt.
Ziel des Vorhabens ist deshalb die Entwicklung eines Sensors, der es erstmals ermöglichen soll, die isotopologische Zusammensetzung von Treibhausgasen vor Ort und in Echtzeit zu messen und so dessen Quellen zu identifizieren. Dafür wird der tragbare Sensor die neueste Generation von Interband-Kaskadenlasern in Kombination mit photoakustischer Spektroskopie sowie einem auf künstlicher Intelligenz basierenden Auswertealgorithmus einsetzten.
Der Ausblick: Welchen Leuchtturmcharakter hat das Projekt?
Die durch das Projekt generierten Informationen helfen, atmosphärische Prozesse besser zu verstehen, und sind ein wichtiger Beitrag für die Erstellung und Überprüfung von Klimamodellen. Mit dem geplanten Sensor ließen sich auch noch eine Reihe anderer klimarelevanter Untersuchungen durchführen – zum Beispiel zum Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs der Erde.
Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Vorhabens sollen ohne Zugangseinschränkung (open access) auf internationalen Fachkonferenzen vorgestellt sowie in Fachzeitschriften veröffentlicht werden. Sie stehen damit allen Interessierten zur Verfügung.