Die winzigste Schnüffelnase der Welt

© RedaktionAndreas Güntner erklärt uns an einem Poster, wie die Sensoren aufgebaut sind und wie sie funktionieren.Andreas Güntner, Forscher am Particle Technology Laboratory, Department Maschinen­bau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich, entwickelt winzige, aber enorm leistungsfähige Sensoren, die geringste Spuren flüchtiger Stoffe detektieren können. Diese könnten First Respondern mehr Möglichkeiten geben und dort arbeiten, wo «echte» Suchhunde an ihre Grenzen stossen.

Der Hund ist der beste Freund des Menschen – und für Blaulichtkräfte ein unverzichtbarer Helfer. Als Polizei- und Schutzhund einerseits, aber vor allem auch als Such- und Rettungshund. Seit dem Mittelalter – am Grossen St.-Bernhard-Pass seit dem 17. Jahrhundert – helfen Hunde und deren empfindliche Nasen, Vermisste, Verirrte oder Verschüttete aufzuspüren. Die Leistungen, die die Hunde dabei vollbringen, sind beeindruckend. Denn Hundenasen, in denen die Riechzellen 100 Mal dichter sind als beim Menschen und in denen zwei getrennte «Luftwege» zum Atmen und Riechen verlaufen, können Stoffe riechen, die uns verborgen bleiben. Pheromone und gewisse gasförmige organische Kohlenwasserstoffe zum Beispiel. Und das in allerwinzigsten Konzentrationen. Daher erschnüffeln sie (richtig trainiert) zielsicher, was wir nicht sehen, hören oder bemerken. Verschüttete finden sie, das belegen zahlreiche Studien, mit einer Wahrscheinlichkeit von 75 bis 95 Prozent.

Auf der Suche nach dem «technischen Suchhund»

© RedaktionAndreas Güntner zeigt die drei Evolutionsstufen der Sensoren, welche immer kleiner wurden.Allerdings haben Hunde auch Schwächen. Die Sucharbeit ist für sie enorm anstrengend, weshalb sie immer wieder Pausen benötigen. Auch Hitze, grosse Höhe, Dunkelheit und starke Feuchtigkeit setzen ihnen zu. Auch müssen sie oft zuerst von weither ins Suchgebiet verbracht werden. Nicht zuletzt können sie nicht in jedem Gelände arbeiten – wobei der den Hund begleitende Mensch meist schneller ans Limit kommt als der Vierbeiner.

Im Bewusstsein um diese natürlichen Grenzen selbst des besten, zähesten, schnellsten und mutigsten aller Suchhunde, tüfteln Forscher seit Jahren an «technischen» Schnüffel­nasen, die bei jedem Wetter und in quasi jeder Umgebung eingesetzt, jederzeit und überallhin mitgenommen und im Idealfall auch an Drohnen gehängt werden können. Einer von ihnen ist Andreas Güntner vom Particle Technology Laboratory am Department Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich. Er hat mit seinem interdisziplinär komponierten Team winzige, hochsensible Sensoren ent­wickelt, die flüchtige organische und anorganische Sub­stanzen wie Aceton, Ammoniak oder Isopren detektieren. Schnell, sicher und vor allem in bisher unerreicht niedrigen Konzentrationen.

Gassensoren statt Hundenasen

Da alle drei genannten Stoffe natürliche Stoffwechsel­pro­dukte darstellen, welche jeder von uns ausatmet und durch die Haut ausdünstet, kann man durch kombinierte Detektion dieser Gase Verschüttete oder verborgene Menschen aufspüren. Allerdings sind die Konzentrationen dieser Stoffe in der Atemluft respektive unseren Hautausdünstungen sehr gering. Entsprechend empfindlich müssen die Sensoren sein. Das Team um Andreas Güntner verwendet mit nanostrukturierten Metalloxiden beschichtete Chips. «Diese waren zu Beginn der Forschungen, vor einigen Jahren, etwa so gross wie ein 5-Rappen-Stück. Zwischenzeitlich sind sie kleiner als ein Streichholzkopf», sagt Güntner – und zeigt uns die in einer durchsichtigen Plexiglas-Schatulle verwahrten letzten drei Entwicklungsgenerationen. Dazu erklärt er: «Die Metalloxide haben eine klar definierte Kristallstruktur und eine enorm poröse Oberfläche. Diese bietet gasförmigen Stoffen ein geradezu gigantisches ‹Andock­areal›. Treffen bestimmte gasförmige Stoffe auf die kristalline Oberfläche, kommt es zu einer chemisch-physikalischen Wechselwirkung. Der elektrische Widerstand des Chips ändert sich – und das kann gemessen werden.» Die von Güntner verwendeten Metalloxide, beispielsweise Silizium-dotiertes Wolfram- oder Molybdäntrioxid sowie Titan-dotiertes Zinkoxid, reagieren dabei sehr spezifisch auf die unterschiedlichen Stoffe. Zudem sind die zugrunde liegenden chemisch-physikalischen Prozesse enorm schnell (wenige Sekunden) und die Metalloxide reagieren unfassbar empfindlich. «Wir können einzelne Aceton-Moleküle in Hunderten Millionen anderer Moleküle detektieren», erklärt Güntner. Dennoch seien die Chips vergleichsweise robust. «Unsere Technik ist günstig, handlich und erlaubt Messungen in Echtzeit. Derzeit testen wir ihre Tauglichkeit für den harten Alltagseinsatz», sagt Güntner.

Die Sensoren funktionieren tadellos

In ersten Tests, bei denen Probanden einzeln und über mehrere Stunden hinweg in einer Versuchskammer ausharrten, konnten Ammoniak, Aceton und Isopren mithilfe der neuen Sensoren schnell und sicher nachgewiesen werden. Und das mit einer Genauigkeit, wie sie sonst nur Ionenmobilitäts- oder Massenspektrometer ermöglichen. Wobei Letztere weder transportabel noch wirklich preiswert sind. Die Sensoren indes können, da winzig und federleicht, theoretisch in jedes Mobiltelefon oder tragbare Handgerät eingebaut werden. Ergänzt um Feuchtigkeits- und CO2-Sensoren würden diese Ersthelfern ganz neue, weitreichende Möglichkeiten an die Hand geben. «Sie könnten unmittelbar mit einer Such­aktion beginnen und mithilfe einer Drohne, welche mit einer ‹technischen Hundenase› bestückt ist, auch grössere Areale in bisher unvorstellbar kurzer Zeit absuchen», ist Güntner überzeugt.

Bis es so weit sein wird, dauert es aber noch. Denn auch wenn die Sensoren ihr Leistungsvermögen und die nötige Standfestigkeit in Laborversuchen bewiesen haben, müssen Andreas Güntner und sein Team noch viel Zeit und Arbeit in weitere Tests und die Entwicklung eines serienreifen, für den Einsatz geeigneten Produktes investieren. Dazu müssen sie nicht zuletzt auch immer wieder potente Geldgeber gewinnen.