Entwicklung hin zu Online-Messungen eisnukleierender Partikel über einen breiten Temperatur- und Konzentrationsbereich: Mikrofluidischer Aufbau zur kontinuierlichen Eisnukleations-Analyse (MINION)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Sarah Grawe; Dr.-Ing. Danny Reuter
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549897546

Eisnukleierende Partikel (engl. Ice nucleating particles - INP) sind atmosphärische Aerosolpartikel, die den Eisnukleationsprozess in Wolkentröpfchen bei Temperaturen zwischen 0 und -37 °C katalysieren. Die Art und Anzahl der INP wirkt sich die primäre Eisbildung in Wolken und deren Eigenschaften aus. Messungen der INP Konzentration, d.h., der Anzahl von INP, die pro Luftvolumen bei einer bestimmten Temperatur aktiv sind, sind aufgrund der großen Variabilität von ~10 Größenordnungen eine experimentelle Herausforderung. Es gibt daher eine große Bandbreite verschiedener Instrumente zur Bestimmung von INP Konzentrationen, wobei jedes entsprechend des Messprinzips einen bestimmten Konzentrations- und Temperaturbereich abdeckt. Keines der momentan verfügbaren Geräte erfasst sowohl sehr seltene Hochtemperatur-INP (> -10 °C) als auch häufiger auftretende Niedrigtemperatur-INP (< -25 °C). Eine Möglichkeit zur Erweiterung des messbaren Konzentrations- und Temperaturbereichs ist die Untersuchung sehr vieler Tropfen im Nanoliter-Volumenbereich. Diese können mithilfe von mikrofluidischen Tropfengeneratoren in einer Ölmatrix erzeugt und anschließend heruntergekühlt werden. Es existieren bereits einige Geräte, die diesen Ansatz für INP Messungen nutzen. Diese können in zwei Methoden unterteilt werden: Erstens gibt es Instrumente, bei denen eine feste Anzahl von Tropfen erzeugt und in einem mikrofluidischen Chip aufbewahrt werden. Dieser Chip wird gekühlt und dabei das Gefrieren der Tropfen mittels Mikroskop und Kamera beobachtet. Zweitens existieren Geräte, bei denen Tropfen kontinuierlich erzeugt und in einem mikrofluidischen Kanal über eine gekühlte Fläche geleitet werden. Vorteile gegenüber der ersten Methode sind die uneingeschränkte Tropfenanzahl und das Potential der Verbindung mit einem Sammler, der Aerosolpartikel in Wasser abscheidet, was quasi-online Messungen der INP Konzentration ermöglichen würde. In dem vorliegenden Projektantrag schlagen wir daher eine Weiterentwicklung der zweiten Methode vor. Das neue System MINION (Microfluidic device for Ice Nucleation analysis In cONtinuous flow) zeichnet sich durch eine neuartige Form der optischen Aggregatzustandsdetektion aus, die die zeitaufwändige und häufig fehlerbehaftete Auswertung von Kamerabildern der bisher entwickelten Geräte ersetzt. Diese optische Methode lässt sich leicht und kostengünstig vervielfachen, sodass in Kombination mit einem geeigneten Kühlsystem, hochaufgelöste INP Messungen zwischen 0 °C und dem homogenen Gefrierlimit durchgeführt werden können. Der messbare INP Konzentrationsbereich erweitert sich gegenüber vorhandenen Instrumenten um mindestens 2 auf 6 Größenordnungen, wodurch sowohl Hoch- als auch Niedrigtemperatur-INP erfasst werden können. Im beantragten Projekt planen wir neben der Entwicklung von MINION eine umfassende Charakterisierung sowie Messungen atmosphärischer INP Konzentrationen anhand von Filterproben unterschiedlichster geographischer Herkunft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen