ALBERT

Description: The pressure resistance in the deep ocean is most important for in-situ measurements. In case of the underwater mass-spectrometry (UWMS) especially the requirements of the combination of high permeability for fast low detection limits and stable structures for pressure resistance in the membrane-inlet-systems (MIS) are challenging. In the third funded project “SensorEplus” a MIS is redesigned and optimizedto get high pressure resistance with high gas permeability. The specific details in this project are pressure stability of up to water depth of 4000 m (400 bar), and a high porosity of the membrane supporting structure for gases to get low limits of detection for several gases and chemicals. While comparing these requirements with natural structures of diatoms in the ELISE department of the AWI-Bremerhaven (http://elise.de/en/), it was found a design solution: a kind of tree stabilization inside of the “German Frit” with a very porous surrounding surface. The designed component has a cylindrical form with a diameter of 1/8” at a length of 13 mm. To realize the production of a small and complex component like this, the manufacturing process of micro-printing as a generative manufacturing is used. Additionally a new heating management is adapted in the redesigned MIS. By heating the membrane a constant temperature is achieved and potentially energy can be saved. Also the use of a heat exchanger enables a constant temperature while saving energy. To check the stability of the MIS the components are tested in a high pressure tank at the AWI facilities to prevent a failure of each component. The permeability of the new developed MIS will be tested with the AWI-UWMS to get a comparison of the old MIS supported by a spring and the new structure. Here, we will present the evolution process and the structure of the new “German Frit”.

Description: Im Verlauf des Klimawandels verändern sich stetig Umweltparameter wie die Erwärmung der Erdoberfläche oder steigende Treibhausgaskonzentrationen in Atmosphäre und aquatischen Systemen. Insbesondere das im Vergleich zu Kohlendioxid 25-fach reaktivere Treibhausgas Methan gewinnt im Kontext der Erwärmung der aquatischen Systeme an Bedeutung. Die resultierende Freisetzung eingelagerten Methans kann eine zusätzliche Katalysation des Treibhauseffektes verursachen. Das Monitoring des Einflusses der erhöhten Methanfreisetzung sowie die wissenschaftliche Aufarbeitung ist die Basis zur Erstellung von Entwicklungsmodellen und Prognosen. Es resultieren steigende Anforderungen an Messinstrumente, welche möglichst in-situ operieren sollten. Hierdurch können Faktoren wie Messpräzision, Quantität von Messpunkten und -orten sowie regelmäßige Prüfungen von Veränderungen und damit die wissenschaftliche Datenlage optimiert werden. Auf Basis dieses erweiterten Anforderungsprofils wird in dieser Arbeit ein Unterwasser-Massenspektrometer (UWMS), vor dem Hintergrund der Optimierung der Druckstabilität und Performanz, neu konzipiert und aufgebaut. Ziel ist die Erweiterung des Messinstrumentes auf Einsatztiefen von bis zu 3000 m bei einer Performanz möglichst nahe am Methan-Konzentrationshintergrund der Ozeane von 2 – 4 nmol/L. Das Membraneinlasssystem (MIS) als Schnittstelle zwischen Probe und Messsystem ist das Kernstück zur Beeinflussung der Performanz, stellt jedoch mit einer semipermeablen Membran eine Schwachstelle in der Stabilität des Gesamtsystems dar. Insgesamt erfolgt die Betrachtung von fünf verschiedenen Stützstrukturen, wobei zwei zusätzlich mit unterschiedlichen Membranstärken getestet wurden. Unterschiedliche Konfigurationen des MIS wurden in ein UWMS eingebaut und kalibriert. Die Ergebnisse ermöglichen mit der Bestimmung diverser Parameter wie Nachweis- und Bestimmungsgrenze sowie Ansprech- und Abklingzeit einen Vergleich der MIS, sodass eine Validierung gegen das zuvor verwendete MIS mit einer Feder als Stützstruktur erfolgen kann. Ebenfalls ermöglichen Testreihen mit erhöhtem Wasserdruck auf das MIS eine tendenzielle Betrachtung der Veränderung der Performanz über die Einsatztiefe. Mit einer der MIS-Kombinationen konnte eine Nachweisgrenze von 1,68 nmol/L erreicht werden, was eine Optimierung um den Faktor drei im Vergleich zu dem vorherig verwendeten MIS bedeutet. Bei Verwendung der Membran mit der größeren Wandstärke konnten Einsatztiefen von bis zu 3000 m validiert werden. Eine anwendungsspezifische Zusammensetzung des MIS kann somit optimierte Messungen ermöglichen.

Description: Methane (CH4) is the most abundant organic compound in the atmosphere and its influence on the global climate is subject to widespread and ongoing scientific discussion. Two sources of atmospheric methane are the release of methane from the ocean seafloor, as well as from thawing permafrost. In recent years the origin, sediment and water column processes and subsequent pathways of methane have received growing interest in the scientific community. 13C/12C ratio measurements can be used to determine the methane source (biogenic or thermogenic), but potential formation/alteration processes by microbes are not yet fully understood. Radiocarbon analysis can help to understand these carbon cycling processes. The presented method is a novel approach for the radiocarbon age determination of methane. A modified PreConn is used to separate methane from other gases such as CO2 in a gaseous sample. Afterwards, the purified methane is transferred to a furnace and oxidized to CO2. Subsequently, produced CO2 is concentrated on a custom-made zeolite trap, which can be connected to a novel sampling unit implemented into the GIS system (by Ionplus AG) for direct CO2 measurements on a MICADAS. The zeolite trap has ¼“ quick-fit connectors (Swagelok) that allow to detach the trap from the oxidation unit and to re-attach it in the GIS. Initial testing showed minimal blank carbon incorporation associated with sample storage, transfer and handling of the custom-build zeolite trap. Here we will present the setup of the method, first results of the blank determination as well as precision of common standard gases.