Verbundprojekt: Quantum Wastewater Sensing (QUATERNION) - Teilvorhaben: Quantensensorik für integriertes Abwassermonitoring

QUATERNION hat das Ziel, eine photonische Sensorplattform zur Überwachung von Abwässern bezüglich chemischer Verunreinigungen und Qualität von Klärprozessen zu entwickeln. Die Sensorik dient als Werkzeug für eine umwelt- und ressourcenschonendere Wasserwirtschaft auf kommunaler und industrieller Ebene. Mithilfe von integrierter, quantenoptischer Sensortechnik schaffen wir einen neuartigen Ansatz für ein kompakte, robuste, leistungsfähige und kostengünstige Sensorik für die Prozessanalyse in industriellen und öffentlichen Kläranlagen. Diese wird eine große Lücke bei den verfügbaren Systemen für die In-situ- und Online-Überwachung von organischen Verunreinigungen in aufbereitetem Wasser schließen. Die Detektion von Zielsubstanzen erfolgt durch Messung von charakteristischen Absorptionsbanden im mittleren Infrarot. Diese werden über das evaneszente Lichtfeld eines Wellenleiters, ähnlich der Messmethode der abgeschwächten Totalreflexion (ATR), abgefragt. Durch die optischen Eigenschaften der Materialplattform Lithiumniobat kann die Funktionalität eines sogenannten nichtlinearen Interferometers komplett in einem einzelnen photonischen Bauteil integriert werden. Nichtlineare Interferometer ermöglichen die Informationsübertragung zwischen verschiedenen Wellenlängenbereichen, z.B. von spektroskopischer Information im mittleren Infrarot auf silizium-detektierbare, nahinfrarote Wellenlängen. Dieses Prinzip ermöglicht einen integrierten Sensorkopf, der leicht zu versorgen und in Prozesse einzubringen ist. Zusätzlich ist Lithiumniobat ein sehr robustes Material, das für den direkten Prozesskontakt geeignet ist und ermöglicht außerdem die direkte Integration einer Ultraschall-Selbstreinigung, die für einen zuverlässigen Dauerbetrieb in der rauen Abwasserumgebung entscheidend ist. Durch die Kombination dieser Eigenschaften werden in QUATERNION gleich mehrere technische Hindernisse auf dem Weg eines optischen Sensorsystems zur direkten Prozessanwendung in Abwässern überwunden.