Spektrometrie

Die uns ständig umgebende gasförmige Masse, die Atmosphäre, lässt sich grob in die fünf Schichten Tropo-, Strato-, Meso-, Thermo- und Exosphäre unterteilen. Jede dieser Schichten  weißt eine andere Zusammensetzung und Dichte auf. Während des Ballonfluges werden Höhen von bis zu 40 Kilometern erreicht und ermöglicht so eine Betrachtung von Troposphäre und Stratosphäre.

Autor: Grujic

Die Troposphäre erstreckt sich etwa 18 Kilometer in die Höhe und beinhalte nahezu 90 Prozent der Luft und beinahe den gesamten Wasserdampf der Erdatmosphäre. Mit zunehmender Höhe schließt sich an die Troposphäre die Stratosphäre an, diese reicht bis zu 50 Kilometern in die Höhe. Die Ozonschicht unseres Planeten befindet sich Hauptsächlich in der unteres Stratosphäre.
Mit Hilfe der bereits integrierten Sensoren ist es möglich UV-Strahlung, Temperatur, Luftfeuchte und Sauerstoffgehalt zu ermitteln. Eine Möglichkeit zusätzliche Informationen über die Zusammensetzung von Troposphäre und Stratosphäre zu sammeln biete der Einsatz eines Spektrometers.

Ein Spektrometer erlaubt es das Licht in die einzelnen Bestandteile des Spektrums zu zerlegen. Nach dem Bohrschen Atommodell bewegen sich Elektronen nur auf bestimmten Bahnen um den Atomkern, ein Quantensprung von einer energetisch höheren Bahn auf eine energetisch Niedrigere führt zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit definiertem Energieabstand und der damit verbundenen Frequenz. Die Betrachtung der einzelnen Frequenzen innerhalb des Spektrums einer Lichtquelle, lässt auf die Bestandteile dieser zurückschließen.
Professionell erhältliche Spektrometer sind auf Grund der Größe und des Preises für eine Vermessung der Stratosphäre mittel Stratosphärenballon ungeeignet, daher wurde an einer einfachen Lösung zur Erfassung und Auswertung des Spektrums gearbeitet. Prinzipiell wird für die Erzeugung des Spektrums nur ein paralleler Lichtstrahl benötigt, der an einem Gitter gebrochen wird. Mit Hilfe einer Pappkonstruktion, einer dünnen Metallschlitzblende und eines CD-Rohlings kann bereits ein  einfaches Spektroskop erzeugt werden.

Der Lichtstrahl tritt durch eine Schlitzblende in das Spektrometer, trifft dort auf die Kunststoffseite eines CD-Rohlings und gelangt in sein Spektrum zerlegt zum Ausgang. Durch die Schlitzblende gelangt nur Licht mit etwa demselben Eintrittswinkel in das Spektrometer, dadurch erhält man einen weitestgehend parallelen Strahl. Die Rückseite eines CD Rohlings fungiert, durch die feinen Strukturen auf der Oberfläche, als Gitter und bricht den parallelen Strahl in sein Spektrum auf. Über eine Raspberry Pi Kamera wird das Spektrum aufgenommen, um anschließend analysiert zu werden. Für die Analyse des Spektrums steht unter Public Lab ein OpenSource-Projekt zur Verfügung, welches über eine Nutzerdatenbank die Bilddaten vergleichen und auswerten kann.
 
Die Auflösung des Spektrometers ist durch die Linienanzahl des Gitters, in diesem Fall der CD, beschränkt. Zur Verbesserung der Auflösung wurde ein weiterer Prototyp aufgebaut, welcher statt des CD-Rohlings eine Gitterfolie mit 1000 Strichen pro Zentimeter verwendet.

Diese beiden Prototypen erwiesen sich jedoch als impraktikabel, da das Spektrometer eine starke Winkelabhängigkeit zur Lichtquelle besitzt, welche während des Fluges nicht nachkorrigiert werden kann. Die Verwendung einer weiteren Kamera würde das Gewicht und den Energieverbrauch der Sonde zusätzlich erhöhen. Des Weiteren wird eine Internetverbindung zur Auswertung der Bilddaten benötigt.
Als Alternative hierzu wurde die Verwendung eines Absorptionsspektrometers angestrebt. Bei der Absorptionsspektroskopie wird ein Prüfmedium mit Licht einer bekannten Wellenlänge bestrahlt. Da ebenso wie die Emission auch die Absorption nur in bestimmten Energieniveaus erfolgt, kann über die Vergleichsmessung der Lichtintensität vor und nach dem Prüfmedium, auf dessen Zusammensetzung zurückgeschlossen werden.
Das hierfür entwickelte Spektrometer verwendet als zentrale Einheit einen Microcontroller der MSP430-Serie aus dem Hause Texas Instruments. Die Aufgabe des Microcontroller ist die Ansteuerung des verwendeten LEDs und Messung der Strahlungsintensität. Über eine I2C-Schnittstelle findet die Kommunikation und Datenübertragung zwischen Spektrometer und Gesamtsystem Ballonsonde statt.
Das Spektrometer besteht aus einem, innen verspiegeltem Prüfraum, mit einem Prüfvolumen von 0,5 Kubikmetern. Die verwendeten LEDs besitzen Abstrahlwinkel von 120 Grad um eine möglichst hohe Durchdringung des Prüfmediums zu erzielen. Die Messung der Strahlungsintensität erfolgt über den Licht-Frequenz-Wandler TSC230.

Die Herstellung der Platinen erfolgte an der Hochschule mittels kupferbeschichteter Platten und eines Fräsers. Anschließend wurden die Platinen verzinnt und bestückt. Insgesamt kommen achte LEDs mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometer zum Einsatz.
Da sich bereits ein elektrochemischer Sauerstoffsensor in der Sonde befindet, ist der Wellenlängenbereich für Absorption von Licht durch Sauerstoff interessant, da hier eine Vergleichsmessung durchgeführt werden kann. Dieser liegt für Sauerstoff in der alpha-Konfiguration bei 762,1 nm (Visible absorption cross sections and integrated absorption intensities of molecular oxygen, Journal of geophysical research), hierfür wurde eine schmalbandige LED mit 760 nm Mittenwellenlänge und einer Verteilung von 10 nm um dieses gewählt.