Miniaturisiertes automatisches Wasseranalysesystem mit Mikrophotometer

Seit jeher beeinflusst der Mensch seine Umwelt. Er gestaltet sie bewusst, beispielsweise durch die Anlage, Bewässerung und Düngung von landwirtschaftlich genutzten Feldern, aber er verändert sie auch unbewusst. So kann es zum Beispiel zu einem Absinken des Grundwasserspiegels durch die dauerhafte Entnahme von Wasser aus Brunnen kommen, oder es können Stoffe aus industriellen Prozessen in das Erdreich eindringen und sich über das Grundwasser weiträumig verteilen. Das Bewusstsein für solche Veränderungen der Umwelt ist in den letzten Jahrzehnten in unserer Gesellschaft immer stärker gestiegen und die Notwendigkeit zur Erhaltung natürlicher Ressourcen wird in der modernen Gesellschaft akzeptiert. Der Zustand der Umwelt wird mittlerweile regelmäßig untersucht und es wird versucht, Gefährdungen abzuwenden. In vielen Fällen stehen jedoch solchen ökologischen Überlegungen ökonomische entgegen, denn Umweltschutz ist nicht nur eine Frage des technologisch Machbaren, sondern auch dessen, was finanziert werden kann. Auch wenn langfristig die Zerstörung von Ressourcen negative wirtschaftliche Auswirkungen mit sich bringt, ist im Umweltschutz sowohl bei der Überwachung als auch bei der Behebung von Schäden oft kein direkter finanzieller Vorteil während der Durchführung dieser Maßnahmen ersichtlich. Umweltschutzmaßnahmen werden deshalb durch Gesetze vorgeschrieben. Sie orientieren sich an den Notwendigkeiten der Umwelt und am Stand der Technik, aber auch an dem in der Gesellschaft als wirtschaftlich vertretbar angesehenen Aufwand. Für einen wirksamen Umweltschutz muss es daher Aufgabe der Gesellschaft sein, kostengünstige Verfahren und Systeme zu entwickeln, mit denen die Erhaltung der natürlichen Ressourcen mit geringem Aufwand betrieben werden kann. Der Erhalt des Trinkwassers ist dabei eine der wichtigsten Aufgaben des Umweltschutzes. Gerade in dicht besiedelten und industriell hoch entwickelten Regionen wie Mitteleuropa ist die Gefährdung der Gewässer durch landwirtschaftliche und industrielle Einträge groß. Grundwasser ist eine der wichtigsten Quellen für Trinkwasser. Um es zu schützen, muss man es kostengünstig analysieren können. Nur durch eine engmaschige regelmäßige Überwachung können im Fall von Verunreinigungen schnell Gegenmaßnahmen getroffen und somit Folgeschäden und die Kosten für deren Behebung minimiert werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines modularen Wasseranalysesystems. Es soll die Möglichkeiten zum Schutz von Grundwasser verbessern, indem es automatisch Schadstoffkonzentrationen bestimmt und kostenintensive manuelle Probennahmen ersetzt. Das Analysesystem ist für den dauerhaften Einsatz in einer Sonde unter Wasser konzipiert und kann in ein großflächiges Überwachungsnetzwerk eingebunden werden. Durch den Einsatz mikrotechnischer Komponenten sollen seine Abmessungen kompakt und der Flüssigkeitsbedarf gering gehalten werden, so dass das System über lange Zeiträume in existierenden Beobachtungsbrunnen mit schmalen Durchmessern eingesetzt werden kann. Die Mikrosystemtechnik bietet mit einer Vielzahl von Entwicklungen im Bereich miniaturisierter Bauelemente für Sensorik und Fluidik ein großes Potenzial, um Analysen kostengünstig vor Ort durchzuführen. In dieser Arbeit sollen bestehende Entwicklungen beurteilt und in einem Gesamtsystem mit verschiedenen Sensormodulen integriert werden, das über ein aktives Fluidsystem für die Handhabung der Proben und Systemflüssigkeiten verfügt. Weiterhin soll die Möglichkeit der Entwicklung eines mikrotechnischen Mehrparametersensors geprüft werden, mit dem die Konzentration unterschiedlicher Schadstoffe im Grundwasser bestimmt werden kann. Hierfür bietet sich das in der Wasseranalytik etablierte Verfahren der Photometrie an. Die Entwicklung eines Mikrophotometers, die Adaption existierender Sensoren und der Aufbau eines automatischen Fluidsystems bilden die Schwerpunkte dieser Arbeit. Sie werden in jeweils eigenen Kapiteln behandelt. Eingerahmt werden diese von Vorüberlegungen zum Systemkonzept und der Vorstellung der realisierten Messsonde. Die Entwicklung des Analysesystems wurde vom deutschen Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) im Rahmen des Verbundprojekts "Mikrosystemtechnik in der Online-Wasseranalytik" gefördert