Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, mit der sich winzige Mengen schwer zu erkennender Sprengstoffe aus mehr als 2,5 Metern Entfernung erkennen lassen. Dadurch wird das Mitführen von Kleidung, Gepäck oder anderen Materialien überflüssig.
Die Methode, veröffentlicht im Journal Talantaerkennt innerhalb von Sekunden Spuren von Sprengstoffen wie Nitroglycerin und RDX – dem Sprengstoff in C-4 – in extrem niedrigen Konzentrationen in der Luft.
Solche Substanzen geben nur wenige wertvolle Moleküle ab – aber Wissenschaftler haben trotzdem Methoden entwickelt, um sie aufzuspüren. Ihre Sprengstoffdetektoren sind so empfindlich, dass sie selbst kleinste Sprengstofffetzen in einem Bereich voller gewöhnlicher Luftmoleküle wie Stickstoff und Sauerstoff erkennen.
Das Team kann Sprengstoffe auf einer Ebene von weniger als 10 Teilen pro Billiarde identifizieren – so, als ob man eine einzelne Kiefernnadel unter allen Kiefern im Bundesstaat Washington identifizieren könnte. Anders ausgedrückt: Das entspricht der Fähigkeit, eine einzelne Münze aus einem Stapel Pennys herauszuziehen, der mehr als 17 Millionen Mal höher ist als der Mount Everest.
Die jüngste Forschung von Wissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums basiert auf mehr als einem Jahrzehnt Arbeit zur Erkennung von Dämpfen von Sprengstoffen und anderen Materialien. In der Vergangenheit entwickelte das Team Methoden, um Sprengstoffe aus einer Entfernung von etwa einem halben Zoll zu erkennen. Die neueste Sprengstofferkennungstechnologie erkennt dieselben Substanzen je nach Material aus einer Entfernung von zwei bis acht Fuß.
„Früher konnten wir diese explosiven Stoffe auf eine Entfernung von der Breite eines Fingers erkennen. Jetzt reicht unsere Technologie bis zu einer Armlänge und darüber hinaus“, sagte Robert Ewing, der Chemiker des PNNL, der das Team leitet.
Die Technologie wurde an BaySpec Inc. lizenziert, ein Instrumentenhersteller aus dem Silicon Valley, der sich auf Spektralsensoren für Anwendungen von Halbleitern und Pharmazeutika bis hin zu Verteidigung und Sicherheit spezialisiert hat. Das Unternehmen plant, im Jahr 2025 ein kommerzielles Produkt auf Basis der PNNL-Technologie zur Erkennung von Sprengstoffen und Betäubungsmitteln auf den Markt zu bringen.
Viele Materialien, die in Sprengstoffen verwendet werden, sind in der Luft schwer zu erkennen, da sie nur wenige Moleküle freisetzen. Im Gegensatz dazu verdunstet Benzin beispielsweise schnell. Bildnachweis: Sara Levine, Pacific Northwest National Laboratory
Niedrigerer Dampfdruck: Kein Hindernis für die Sprengstofferkennung
Ewings Team beschäftigt sich mit Materialien, die einen niedrigen Dampfdruck haben – sie verdunsten nicht schnell. Sie geben so wenige Moleküle an die Luft ab, dass es schwierig ist, sie zu erfassen und zu analysieren. Das ist anders als bei Materialien mit höherem Dampfdruck, wie Benzin – Benzin ist flüchtig und seine Moleküle gelangen schnell in die Luft, wodurch es leicht zu erkennen ist.
In der neuesten Studie konnte das Team Sprengstoffe mit geringer Dampfentwicklung wie Nitroglycerin und RDX – ein weiterer weit verbreiteter Sprengstoff – aus mehreren Metern Entfernung erkennen. In früheren Arbeiten konnte das Team Sprengstoffe wie Tetryl, PETN und TNT sowie Drogen wie Fentanyl, Kokain und Methamphetamin in der Luft erkennen. Das Team ist davon überzeugt, dass der neue Ansatz, bekannt als Standoff Detection, auch für weitere Sprengstoffe, Drogen und andere chemische Bedrohungen eingesetzt werden kann.
„Wir hoffen, dass diese Technologie eingesetzt werden kann, um die Menschen vor explosiven Bedrohungen zu schützen“, sagte Ewing.
Die Verbesserung der Detektionsdistanz ist zum Teil einem leistungsstarken, tragbaren Luftprobennehmer zu verdanken, der an der University of Washington entwickelt wurde und etwa 300 Liter Luft pro Minute ansaugt. Dadurch können die Wissenschaftler des PNNL in nur 5 bis 10 Sekunden die gesamte Luft sammeln, die sie benötigen, um Materialien mit geringerem Dampfdruck zu erkennen.
Die Luft wird durch einen Filter gesaugt, der die Dämpfe auffängt, die dann in ein atmosphärisches Strömungsrohr geleitet und von einem Massenspektrometer erfasst werden.
Ein Schlüssel zur empfindlichen Erkennung ist das etwa zwei Fuß lange Gerät, das als atmosphärisches Strömungsrohr bezeichnet wird und in dem Moleküle ionisiert werden, bevor sie an das Massenspektrometer gesendet werden. Durch die Länge dieses Rohrs steht den Zielmolekülen mehr Zeit zur Ionisierung zur Verfügung (Sekunden statt Millisekunden), was die Erkennungsempfindlichkeit erhöht.
Mit dem atmosphärischen Strömungsrohr kann das Team Sprengstoffe auf einer Ebene von weniger als 10 Teilen pro Billiarde identifizieren.
Die Arbeit baut auf den bisherigen Erfolgen des Teams auf, zu denen auch ein R&D 100 Market Disruptor Award gehörte. Das Team nahm vom 24. bis 28. Juni am Trace Explosives & Drug Detection Workshop in Irland teil, um verwandte Arbeiten zu besprechen.
Die Arbeit ist Teil eines umfassenden PNNL-Programms zur Sprengstofferkennung.
Mehr Informationen:
Megan K. Nims et al, Standoff-Spurensprengstoffdampfdetektion über Meter-Entfernungen, Talanta (2023). DOI: 10.1016/j.talanta.2023.125562