Für Live-Vorführungen der LIMS-Technologie wurde die Demonstrator-Version einer Screening-Schleuse für Passagierkontrollen verwendet. Der LIMS-Sensor ist in der Lage winzige Spuren von Sprengstoffen, Chemikalien oder Drogen zu „erschnüffeln“
Auf der Paris Airshow 2007 präsentierte EADS drei fortschrittliche Sensortechnologien zur Erkennung von Sicherheitsrisiken wie Sprengstoff, aber auch von atomaren, biologischen und chemischen Gefahren.
Entwickelt wurden die Technologien, um bei minimaler Störung der Passagierund Warenströme maximale Sicherheit zu gewährleisten. Wenn Terroristen Anschläge planen, setzen sie vorzugsweise auf Sprengstoffe und andere energetische Materialien sowie auf chemische und biologische Gefahrensubstanzen. EADS entwickelt Technologien zur Bekämpfung solcher Bedrohungen: einen Spurendetektor für Personen- und Objektkontrollen, ein Neutronen-Interrogationssystem für die Untersuchung von Gepäck und Fracht, sowie ein System zur automatischen, schnellen Detektion biologischer Krankheitserreger im Trinkwasser.
Diese Technologien versprechen gegenüber heutigen Systemen erhebliche Optimierungen bei Ansprechempfindlichkeit, Fehlalarmquote, Durchsatz und Kosten. Zwei dieser drei Technologien – der LIMS-Sensor (Laser-Ionen-Mobilitäts-Spektrometer) und das automatische Detektionssystem für biologische Krankheitserreger – sind aus laufenden Entwicklungstätigkeiten in den konzerneigenen Forschungseinrichtungen der EADS Innovation Works hervorgegangen, das Neutronen-Interrogationssystem wiederum beruht auf militärtechnischen und industriellen Systemen, die von der EADS SODERN bereits eingeführt wurden. Derzeit bemüht sich die EADS um den Abschluss von Partnerschaftsabkommen zur Vermarktung und Serienproduktion dieser drei revolutionären Technologien.
LIMS – Laser-Ionen- Mobilitäts-Spektrometer
Für Live-Vorführungen am Stand der EADS wurde die Demonstrator-Version einer Screening- Schleuse für Passagierkontrollen verwendet. Das Sensorelement der Schleuse ist das etwa buchgroße LIMS, das in der Lage ist, winzige Spuren von Sprengstoffen, Chemikalien oder Drogen zu „erschnüffeln“.
Sobald jemand die Schleuse betreten hat, umspült ein Gebläse die Person etwa zehn Sekunden lang mit einem Luftstrom. Dieser befördert jegliche Substanzen abwärts in einen Probenehmer, von wo aus sie in das LIMS eingespeist werden. Dort werden die Moleküle in Ionen – elektrisch geladene Teilchen – aufgespalten. Dieser Prozess nennt sich Ionisierung. Anschließend setzt das LIMS die verschiedenen Ionen einem elektrischen Feld aus, in dem sie sich in Abhängigkeit von ihren spezifischen Eigenschaften unterschiedlich schnell bewegen. Anhand dieses Mobilitätsspektrums und des Abgleichs mit einer gespeicherten Datenbank kann das LIMS ermitteln, ob eine bestimmte Substanz vorhanden ist oder nicht.
Das Neuartige an der LIMS-Technologie ist, dass zur Ionisierung nicht, wie sonst üblich, eine Quelle radioaktiver Strahlung genutzt wird, sondern ein Laserstrahl. Das macht den Detektor hoch selektiv, und durch Reflektortechnik wird seine Effizienz zusätzlich gesteigert. Diese „künstliche Spürnase“ ist um ein Vielfaches empfindlicher als das Riechorgan eines Hundes und nicht schon nach einer halben Stunde des Schnüffelns müde wie die vierbeinige Konkurrenz ...
Funktionsprinzip des ULIS-Systems: Ausgesendete Neutronen durchdringen das zu untersuchende Objekt. Ihr Auftreffen auf Atome der Inhaltstoffe verursacht das Aussenden von stoffspezifischen Gammastrahlen, die von der Systemelektronik analysiert werden
Die Forscher von der EADS Innovation Works beabsichtigen, den LIMS-Sensor weiter zu miniaturisieren, damit er in ein Handgerät passt – ähnlich den Metalldetektoren, die bei Sicherheitskontrollen zum Einsatz kommen. Und auch der im Vergleich zu anderen Detektionsgeräten geringe Stromverbrauch des LIMS wird sich bei der tragbaren Ausführung positiv bemerkbar machen.
Die Grundlagenforschung zu dieser Technologie stammt aus dem Projekt MILAN („Miniaturisiertes Laser-Ionenmobilitätsspektrometer für die Analytik“), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt und in Zusammenarbeit mit Bavarian Photonics, Optimare und der Uni Potsdam durchgeführt wurde.
ULIS – Unattended Luggage Inspection System
Am EADS-Stand auf der Paris Airshow präsentierte die EADS SONDERN ein Modell ihres tragbaren Neutronen-Interrogationssystems zur Detektion und Identifizierung jeglicher Sprengstoffe, Chemikalien sowie spaltbarer und radioaktiver Substanzen, die in verdächtigen Gegenständen versteckt sein könnten. Die EADS SONDERN nutzt die Technologie der Neutronen-Interrogation in ihren aktuellen Produkten für Maschinen, die in Echtzeit die exakte mineralische Zusammensetzung, zum Beispiel von Kohle oder Zement, ermittelt, während diese Stoffe auf einem Förderband durch das Gerät laufen. Derzeit passt das Unternehmen diese bewährte Technik für eine Reihe von Sicherheitsanwendungen an, allen voran ULIS (Unattended Luggage Inspection System). Hierbei handelt es sich um ein Gehäuse, dessen Innenleben aus einer Mini-Neutronenröhre, einem Gammastrahlendetektor, einem Elektronikmodul, Batterien sowie einem Hochspannungstrafo und zwei kleinen Videokameras besteht. Um die Ansteuerung des Systems aus gemessenem Sicherheitsabstand zu ermöglichen, ist das Gehäuse an ein externes Notebook angeschlossen.
In einer Anwendung wie dem ULIS kann die kinderleicht zu bedienende Technik der Neutroneninterrogation ihre Stärken voll ausspielen. Alle zur Erzeugung des Neutronenstroms erforderlichen Stoffe sind im versiegelten Metallgehäuse des Neutronengenerators enthalten. Das ULIS ist seinerseits komplett in einem kleinen Koffergehäuse untergebracht und funktioniert dank eigener Stromversorgung unabhängig von externen Energiequellen. Ausgeschaltet sendet das System keinerlei Neutronen aus.
Zur Durchleuchtung eines verdächtigen Gepäckstückes wird in dessen Nähe der ULISKoffer aufgestellt und über den tragbaren Computer gestartet. Die Röhre sendet Neutronen aus, die in den Untersuchungsgegenstand eindringen. Dabei treten einige Neutronen in Wechselwirkung mit den Atomkernen der verschiedenen chemischen Elemente im Innern des Objekts, wodurch eine charakteristische Gammastrahlung entsteht. Diese wird vom Gammastrahlendetektor im ULIS-Koffer eingefangen. An diesem Punkt übernimmt die ULIS-Software, gleicht das erfasste Gammastrahlenspektrum mit einer „Bibliothek“ bekannter chemischer Signaturen ab und kann den Inhalt des untersuchten Gepäckstücks auf diesem Wege eindeutig ermitteln.
Zur Ausstattung der ULIS-Neutronenröhre gehört ein wichtiges Zusatzelement: der Alphateilchen-Detektor. Dieses Ergänzungssystem macht sich den Umstand zunutze, dass jedes ausgesendete Neutron in genau entgegengesetzter Richtung ein Alphateilchen abstrahlt. Die Hochgeschwindigkeitsprozessoren des ULIS-Elektronikmoduls berücksichtigen diese Richtungsinformationen und führen sie mit Flugzeitmessdaten in einem Triangulationsalgorithmus zusammen. Hierdurch lässt sich die Lage einer verdächtigen Substanz innerhalb des untersuchten Objekts bildlich darstellen – und dies binnen Minuten. Werden keine verdächtigen Substanzen gefunden, zeigt das System die Meldung „Keine Gefahr entdeckt“ an.
Die Bedrohungsdetektion mittels Neutronen- Interrogation funktioniert sogar durch zwei Zentimeter dicke Stahlwände hindurch und taugt somit auch zur Durchleuchtung von Frachtcontainern. Beim Lkw-Screening kommt zusätzlich Röntgentechnik zum Einsatz, um sicherzustellen, dass Tiere oder gar Menschen auf jeden Fall entdeckt werden, bevor der Neutronenstrahl aktiviert wird. Auch zum Aufspüren von Landminen entwickelt die EADS SONDERN zurzeit ein Neutronenabfragesystem.
Die ULIS Neutronenröhre ist mit einem angesetzten Alpha-Teilchendetektor versehen, der es dem System ermöglicht neben der Bestimmung der Inhaltsstoffe auch deren Lage in einem Objekt zu bestimmen
Frühwarnsystem für biologische Krankheitserreger im Trinkwasser
Mit Blick auf die dezentrale Struktur der Trinkwasserversorgung und die zunehmende Sorge um ihre Sicherheit ist es wichtiger denn je, absichtliche Verunreinigungen mit gefährlichen Krankheitserregern in Quasi- Echtzeit aufdecken zu können. Um das Vorhandensein biologischer Gefahrenstoffe zweifelsfrei ermitteln zu können, müssen heutzutage, selbst bei den modernsten Methoden, noch Proben genommen und im Labor analysiert werden. Doch dies dauert ein oder zwei Tage – viel zu lange für ein Frühwarnsystem. Auf der Paris Airshow hat EADS Innovation Works den Demonstrator eines neuen Detektionssystems vorgestellt, das nur noch Minuten braucht, um Bakterien und einzellige Organismen im Trinkwasser aufzuspüren und bei dem sich der Umweg über das Labor erübrigt. Das für den vollautomatischen und unbeaufsichtigten Betrieb konstruierte Gerät wird sich durch extrem niedrige Fehlalarmquoten auszeichnen.
Den Kern des Systems bildet ein mikromechanischer Filter, im Serienfertigungsverfahren produziert aus einer Siliziumscheibe – nicht unähnlich den „Wafern“, aus denen Computerchips hergestellt werden. Diese kostengünstige Methode ermöglicht winzige Filterporen von wenigen Hundert Nanometern, die selbst für Bakterien oder Einzeller zu eng sind. So werden die Krankheitserreger auf der Filteroberfläche gefangen und identifiziert, indem man industriell hergestellte Antikörper durch die Filterkammer pumpt, die gezielt an die im Filter gefangenen Bakterien andocken. Da die Antikörper die zusätzliche Eigenschaft mitbringen, im Laserlicht zu fluoreszieren, werden gegebenenfalls vorhandene Bakterien mit Hilfe eines Sekundär-Elektronenvervielfachers ausfindig gemacht, der die Anzahl der resultierenden Lichtflecken auf der Filteroberfläche ermittelt. Das Gesamtergebnis wird von der Software angezeigt, zu deren übrigen Aufgaben auch die Ansteuerung der Ventile und Pumpen des Systems gehört. Da die Bakterien und Antikörper auf der Oberfläche des mikromechanischen Filters gefangen bleiben, lassen sie sich leicht abspülen, wonach der Detektionsprozess mit einem gereinigten Filter von Neuem beginnen kann.
Gemessene Gammastrahlenspektren werden von der ULISElektronik mit einer eingespeicherten Datenbank abgeglichen und das Ergebnis – eine Liste der gefundenen Stoffe – zur Anzeige gebracht
Mit Blick auf die dezentrale Struktur der Trinkwasserversorgung und die zunehmende Sorge um ihre Sicherheit ist es wichtiger denn je, absichtliche Verunreinigungen mit gefährlichen Krankheitserregern in Quasi- Echtzeit aufdecken zu können. Um das Vorhandensein biologischer Gefahrenstoffe zweifelsfrei ermitteln zu können, müssen heutzutage, selbst bei den modernsten Methoden, noch Proben genommen und im Labor analysiert werden. Doch dies dauert ein oder zwei Tage – viel zu lange für ein Frühwarnsystem. Auf der Paris Airshow hat EADS Innovation Works den Demonstrator eines neuen Detektionssystems vorgestellt, das nur noch Minuten braucht, um Bakterien und einzellige Organismen im Trinkwasser aufzuspüren und bei dem sich der Umweg über das Labor erübrigt. Das für den vollautomatischen und unbeaufsichtigten Betrieb konstruierte Gerät wird sich durch extrem niedrige Fehlalarmquoten auszeichnen.
Die Poren des mikromechanischen Filters haben einen Durchmesser von wenigen Nanometern. Bakterien und einzellige Lebewesen bleiben auf der Filteroberfläche hängen und können nach einer Identifizierung mit fluoreszierenden Antikörpern und Laserlicht vom Filter abgespült werden
Die Forscher der EADS Innovation Works zeigten ein Demonstratorsystem, das mit Hilfe eines mikromechanischen Filters in der Lage ist innerhalb weniger Minuten Bakterien und einzellige Lebewesen in Trinkwasserproben zu bestimmen. Die Anlage arbeitet vollautomatisch und unbeaufsichtigt und verspricht extrem niedrige Fehlalarmquoten
Den Kern des Systems bildet ein mikromechanischer Filter, im Serienfertigungsverfahren produziert aus einer Siliziumscheibe – nicht unähnlich den „Wafern“, aus denen Computerchips hergestellt werden. Diese kostengünstige Methode ermöglicht winzige Filterporen von wenigen Hundert Nanometern, die selbst für Bakterien oder Einzeller zu eng sind. So werden die Krankheitserreger auf der Filteroberfläche gefangen und identifiziert, indem man industriell hergestellte Antikörper durch die Filterkammer pumpt, die gezielt an die im Filter gefangenen Bakterien andocken. Da die Antikörper die zusätzliche Eigenschaft mitbringen, im Laserlicht zu fluoreszieren, werden gegebenenfalls vorhandene Bakterien mit Hilfe eines Sekundär-Elektronenvervielfachers ausfindig gemacht, der die Anzahl der resultierenden Lichtflecken auf der Filteroberfläche ermittelt. Das Gesamtergebnis wird von der Software angezeigt, zu deren übrigen Aufgaben auch die Ansteuerung der Ventile und Pumpen des Systems gehört. Da die Bakterien und Antikörper auf der Oberfläche des mikromechanischen Filters gefangen bleiben, lassen sie sich leicht abspülen, wonach der Detektionsprozess mit einem gereinigten Filter von Neuem beginnen kann.
Das Entwicklungspotenzial des Systems reicht von Detektoren für Viren und biologische Giftstoffe über die Überwachung der Trinkwasservorräte und Luftaufbereitungssysteme an Bord von Flugzeugen bis zu militärischen Einsatzbereichen, wie ABC-Fahrzeugschutz und Feldlazarette oder andere Zwecke der Inneren Sicherheit.
Einige Forschungen zu diesem Projekt fielen unter das EU-Projekt GaNano (Sensornetze auf Galliumnitrit-Basis zum Einsatz in Nano- und Pikoliter-Systemen für schnelle und zuverlässige biomedizinische Tests), die Arbeiten zum automatischen Trinkwasserüberwachungssystem werden teilweise über das Projekt OptoZell des Bundesministeriums für Bildung und Forschung finanziert.
Richard Kleebaur
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