Analyser av miljögaser som tidigare krävde månaders laboratoriearbete kan nu snabbt utföras i fält. En grupp Eawag-forskare har utvecklat en bärbar masspektrometer som möjliggör mätningar på plats – och en spin-off har skapats för att kommersialisera det nya systemet.

Vilka är effekterna av vulkaniska gaser som ackumuleras i Kivusjön i centrala Afrika? Hur fungerar Rhens grundvattensystem nära Pratteln? Vilket är det bästa sättet att kontrollera utsläppen av växthusgaser från en soptipp i nordöstra Schweiz? Svar på frågor som dessa kan ges av en nyutvecklad bärbar masspektrometer – av forskarna som heter "miniRuedi" – som gör att gas- och vattenprover kan analyseras på plats och i realtid. Till exempel, koncentrationerna av olika gaser bestämdes på en deponi under en endagsmätkampanj. Denna studie stöder optimeringsåtgärderna för att lufta deponin för att minska bildningen av metan, en stark växthusgas.

System i en resväska

Eawag miljöfysiker Matthias Brennwald, som utvecklade den bärbara masspektrometern, förklarar:"Vårt instrument, väger 13 kg och monteras i en resväska med hjul, kan tas till de mest avlägsna platserna. När den väl har installerats på plats, Mini-Ruedi kan omedelbart och effektivt mäta gaser med mycket små prover, så det stör inte den naturliga dynamiken i miljön." Systemet, som kan arbeta självständigt, ger kontinuerliga mätningar av ett brett utbud av gaser. De lämpligaste platserna och tiderna för provtagning kan således identifieras omedelbart. Långtidsdrift är också möjlig. Som Brennwald påpekar, "Analyser som tidigare skulle ha varit otänkbara – delvis av ekonomiska skäl, eftersom de skulle ha inneburit månader av laboratoriearbete – är nu plötsligt möjliga."

Två veckor istället för sex år

Till exempel, med Mini-Ruedi, Eawag-teamet behövde bara två veckor för att slutföra ett grundvattenanalysprojekt i Australien. Med konventionella metoder och instrument, Brennwald uppskattar, laget skulle ha krävt ungefär sex år i labbet. Ändå, precisionen i det nya systemets mätningar är anmärkningsvärd, med en analytisk osäkerhet på en till tre procent (mot en till en och en halv procent för en mycket dyrare, laboratoriebaserad spektrometer). Andra fördelar som systemet erbjuder är dess låga strömförbrukning (50 watt, inte mer än en traditionell glödlampa) och underhållsfri drift. Brennwald betonar att "för människor som är vana att arbeta med mätinstrument, det tar bara en dag att lära sig hur man hanterar det bärbara systemet."

Off-the-shelf komponenter

Även om den bärbara masspektrometern kan se komplex ut vid första anblicken, den består egentligen av bara fyra huvudelement (fig. 1). Den inkommande gasen passerar långsamt genom ett tio meter långt kapillärrör, påminner om en elefants snabel (därav systemets namn, "Ruedi Rüssel" är en välkänd kedja av bensinstationer i Schweiz). Två pumpar genererar erforderligt vakuum i kammaren där sammansättningen av gasblandningen och mängden av de olika gaserna mäts. Systemets elektroniska "hjärna" styrs av mjukvara utvecklad av Brennwald själv. Härifrån, resultaten överförs till en dator.

Om gaser ska analyseras i vattenprover (t.ex. från sjöar), ett membran används för att separera gaserna från vattnet, så att systemets ömtåliga komponenter inte utsätts för fukt.

Gasometrix spin-off etablerad

Bara två år efter att Mini-Ruedi först användes i ett projekt, ytterligare åtta instrument används nu – totalt fem vid Eawag och fyra vid universiteten i Genève och Tübingen och bergslaboratoriet Mont Terri. Eftersom Matthias Brennwald har fått många förfrågningar (ej kopplade till Eawag-projekt) om att köpa systemet, han beslutade – i samråd med Eawag – att etablera en spin-off. Sedan april, han har utvecklat de bärbara systemen under namnet Gasometrix; som en lojal Eawag-anställd, han lägger till, detta är bara en bisyssla. Den första kunden som förvärvats för sitt eget företag är University of Oxford.

Mini-Ruedi-applikationer över hela världen

Mini-Ruedi kan kvantifiera många gaser – för närvarande inklusive helium, argon, krypton, kväve, syre, koldioxid och metan – i miljösystem. Mätningar av specifika gaser kan hjälpa forskare att förstå de underliggande processerna för gasbildning. Eftersom detta kompakta system (60 cm x 40 cm x 14 cm; 13 kg) kan analysera olika gaser på mindre än en minut och kan användas på avlägsna platser, det används redan i stor utsträckning (för exempel på tillämpningar i Eawag-forskningsprojekt runt om i världen, se:gasometrix.com/map/). Den har använts, till exempel, för vattenanalyser för att bedöma grundvattensystem eller för att undersöka antropogena effekter på vattenförekomster. I ett nyligen genomfört projekt i Tjeckien, jordprover analyserades för att studera gasutandning från källor. Dessutom planeras analyser som ska genomföras för ett olje- och gasbolag i Norge:här, gasflöden ska övervakas så att metan- eller koldioxidläckor kan upptäckas.