Smarter Sensor 12.03.2025, 11:00 Uhr

Effizientes Nanoröhrchen erkennt Sauerstoff mit Licht

Ein von der ETH Zürich entwickelter Sensor hat den richtigen Riecher für Sauerstoff. Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann selbst kleinste Mengen davon mit Hilfe von Licht aufspüren.

Nanoröhrchen

Dieses winzige Nanoröhrchen ist in der Lage, kleinste Mengen Sauerstoff in Gasgemischen aufzuspüren.

Foto: Bezdek Group / ETH Zürich

Forschende der ETH Zürich haben einen neuartigen Sauerstoffsensor entwickelt, der auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basiert. Das Besondere: Er arbeitet lichtaktiviert und kann kleinste Mengen Sauerstoff in komplexen Gasgemischen zuverlässig nachweisen. Dank seiner kompakten Bauweise, geringen Stromaufnahme und hohen Selektivität eignet sich der Sensor für den mobilen Einsatz in Industrie, Medizin und Umweltüberwachung. Die Forschenden planen nun, das Prinzip auf weitere Gase auszuweiten.

Sauerstoff messen ist eine Herausforderung

Sauerstoff ist ein elementarer Bestandteil unserer Atmosphäre und spielt in zahlreichen industriellen und medizinischen Prozessen eine entscheidende Rolle. Präzise Messungen sind essenziell für die Analyse von Verbrennungsprozessen, die Überwachung von Atemluft oder die Qualitätssicherung in der Lebensmittelproduktion. Auch in der Umweltüberwachung wird Sauerstoff zunehmend als Indikator für die Gewässer- und Bodenqualität genutzt.

Bisherige Sauerstoffsensoren sind jedoch oft teuer, sperrig und energieintensiv. Sie eignen sich daher kaum für mobile Anwendungen oder den dauerhaften Einsatz im Freien. Hier kommt das Forschungsteam der ETH Zürich ins Spiel, denn es hat eine Technologie entwickelt, die diesen Nachteilen entgegenwirkt: einen lichtaktivierten Sensor auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Titan Umreifungstechnik GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Technischer Einkäufer (m/w/d/) Titan Umreifungstechnik GmbH & Co. KG
Schwelm Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung Umweltplanung (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Excelitas Deutschland GmbH-Firmenlogo
Qualitätsingenieur (w/m/d) Produktentwicklung Excelitas Deutschland GmbH
Feldkirchen Zum Job 
Heraeus Site Operations GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) für Bauprojekte Heraeus Site Operations GmbH & Co. KG
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Konstruktionsingenieur mit Projektverantwortung (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
SWR Südwestrundfunk Anstalt des öffentlichen Rechts-Firmenlogo
Experte / Expertin Bauwesen (w/m/d) in der Abteilung Gebäudemanagement / Verwaltung Mainz SWR Südwestrundfunk Anstalt des öffentlichen Rechts
J.P. Sauer & Sohn Maschinenbau GmbH-Firmenlogo
Elektroingenieur (m/w/d) Produktindustrialisierung J.P. Sauer & Sohn Maschinenbau GmbH
ai6 SOLUTIONS GmbH-Firmenlogo
Entwickler Mechanik / Konstruktion (m/w/d) ai6 SOLUTIONS GmbH
Dessau-Roßlau Zum Job 
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Key Account Manager Sicherheit und Verteidigung (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
KLEBL GmbH-Firmenlogo
Technischer Angestellter (m/w/d) Nachhaltigkeitsmanagement im Bereich Hochbau KLEBL GmbH
Neumarkt Zum Job 
Schöpflin Stiftung-Firmenlogo
Head of Operations (m/w/d) Schöpflin Stiftung
Lörrach Zum Job 
Humboldt-Universität zu Berlin Abteilung Haushalt und Personal Referat Personalwirtschaft III C 6-Firmenlogo
Ingenieur*in Nachrichtentechnik (m/w/d) Humboldt-Universität zu Berlin Abteilung Haushalt und Personal Referat Personalwirtschaft III C 6
Niedersächsische Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr-Firmenlogo
Bauingenieur - Sachgebietsleitung Kreisstraßenmanagement (w/m/d) Niedersächsische Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr
Staatliches Gewerbeaufsichtsamt Braunschweig-Firmenlogo
Ingenieur/-in / Naturwissenschaftler/-in (m/w/d) für den Einsatz im Bereich Medizintechnik/-Produkte Staatliches Gewerbeaufsichtsamt Braunschweig
Braunschweig Zum Job 
Aerologic GmbH-Firmenlogo
Engineer Aircraft Reliability & Maintenance Program (m/f/x) Aerologic GmbH
Schkeuditz Zum Job 
Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft GmbH-Firmenlogo
Kalkulator Tiefbau (m/w/d) für den Bereich Wasser/Abwasser Hallesche Wasser und Stadtwirtschaft GmbH
Halle (Saale) Zum Job 
Seppeler Holding & Verwaltungs GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Verfahrenstechniker / Ingenieur Verfahrenstechnik (m/w/d) Seppeler Holding & Verwaltungs GmbH & Co. KG
Rietberg Zum Job 
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH-Firmenlogo
Ingenieur*in oder Physiker*in (d/m/w) GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Darmstadt Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) konstruktiver Ingenieurbau Die Autobahn GmbH des Bundes
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH-Firmenlogo
Ingenieur*innen (d/m/w) GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Darmstadt Zum Job 

Ein kompakter Sensor für viele Einsatzmöglichkeiten

„Herkömmliche Messmethoden gehen oft Kompromisse ein“, erklärt Lionel Wettstein, Doktorand an der ETH Zürich und Erstautor der Studie. Manche Sensoren sind zwar hochsensitiv, werden aber durch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit gestört oder verbrauchen viel Strom. Andere sind widerstandsfähiger, aber weniger genau und oft kostspielig. Die Neuentwicklung der ETH soll diese Probleme lösen.

Der Sensor ist nicht nur besonders empfindlich, sondern auch selektiv: Er kann Sauerstoff selbst in einem Gemisch aus Millionen anderer Moleküle zuverlässig nachweisen. Zudem ist er kompakt, energieeffizient und langlebig. Das macht ihn besonders interessant für mobile Anwendungen wie die Echtzeitüberwachung von Luftqualität oder die Analyse von Autoabgasen. Auch in der Lebensmittelindustrie könnte er eingesetzt werden, um verdorbene Produkte frühzeitig zu erkennen.

Nanotechnologie für präzise Sauerstoffmessungen

Der Sensor basiert auf einem Chemiresistor-Prinzip. Dabei ändert sich der elektrische Widerstand eines Materials, wenn es mit einem bestimmten Gas in Kontakt kommt. „Der große Vorteil ist, dass sich dieses Signal ganz einfach messen lässt“, sagt Mát Bezdek, Professor für funktionelle Koordinationschemie an der ETH Zürich.

Als Sensormaterial wählte das Forschungsteam einen Verbund aus Titandioxid und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Titandioxid ist ein bewährter Chemiresistor, benötigt jedoch hohe Temperaturen für eine effektive Reaktion. Die Integration der Nanoröhrchen ermöglicht es, den Sensor bei Raumtemperatur zu betreiben.

Eine zusätzliche Optimierung wurde durch die Nutzung von Farbstoffsolarzellen-Prinzipien erreicht. Hierbei sorgen spezielle Moleküle, sogenannte Fotosensibilisatoren, für die Lichtaktivierung des Sensors. Unter grünem Licht überträgt der Sensibilisator Elektronen auf das Nanoröhrchen-Titandioxid-Gemisch und macht es spezifisch für Sauerstoff. „Sauerstoff behindert diesen Ladungstransfer und verändert so den Widerstand des Materials“, erklärt Wettstein.

Technologie soll auf weitere Gase ausgeweitet werden

Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet. Nun suchen die Forschenden Industriepartner, um den Sensor zur Marktreife zu bringen. Das wirtschaftliche Potenzial ist groß: Der Markt für Sauerstoffsensoren wird auf ein jährliches Volumen von 1,4 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Zukünftig soll das Konzept auf weitere Gase erweitert werden. Besonders im Fokus stehen Schadstoffe auf Stickstoffbasis, die in der Landwirtschaft zur Überdüngung beitragen und die Umwelt belasten. „Unser Sensormaterial ist modular aufgebaut“ so Bezdek. „Wir wollen seine chemische Zusammensetzung so anpassen, dass auch andere Zielmoleküle nachgewiesen werden können.“ Damit könnte die Technologie langfristig dazu beitragen, den ökologischen Fußabdruck industrieller Prozesse zu reduzieren.

Hier geht es zur Originalmeldung

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.