Die Erkenntnisse der Wissenschaft über die Existenz und die Eigenschaften von Gasen wurden, im Vergleich zu anderen physikalischen Theorien, erst sehr spät begründet. Das lag sicherlich daran, dass man Gase nicht sehen oder anfassen kann. Die meisten Gase sind zudem auch geruchlos, so dass der Mensch gasförmige Stoffe nicht mit seinen natürlichen Sinnen greifen kann. Während Isaac Newton bereits 1687 die bis heute gültigen Grundlagen der Mechanik veröffentlichte, gab es zu dieser Zeit kaum Kenntnisse zu den Gasen, die heute noch Gültigkeit haben. Das Wort Gas trat erstmalig um das Jahr 1610 bei dem flämischen Arzt Johann Baptist van Helmont auf. Er untersuchte damals Stoffe, die bei der alkoholischen Gärung frei werden. Heute wissen wir, dass es sich hierbei um Kohlendioxid (CO2) handelte. Er benutzte dafür das griechische Wort Chaos, um diese flüchtigen Stoffe zu benennen. In der niederländischen Aussprache wurde daraus dann das Wort Gas (Jessel 2001).

 

Johann Baptista van Helmont (1580-1644) war ein flämischer Universalwissenschaftler. Er beschäftigte sich als Arzt, Naturforscher und Chemiker.

Durch chemische Experimente, die von verschiedenen Wissenschaftlern durchgeführt wurden, konnten zu dieser Zeit bereits unterschiedliche Gase identifiziert werden.
Die meisten Experimente wurden in dieser Zeit aber mit Luft durchgeführt. Das wohl bekannteste Experiment dieser Art war die Magdeburger Halbkugel aus dem Jahre 1650.

   

Historisches Experiment von Otto von Guericke zum Nachweis des Luftdruckes. Rechts im Bild Otto von Guericke (20. November 1602 in Magdeburg; † 21. Mai 1686 in Hamburg) war ein deutscher Politiker, Jurist, Physiker und Erfinder. Bekannt ist er vor allem für seine Experimente zum Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln.

Der damalige Bürgermeister und Wissenschaftler Otto von Guericke experimentierte bereits seit einigen Jahren mit Luft. Für das Experiment benutzte er zwei Halbkugeln, die er an der Verbindungsstelle abdichtete und die darin befindliche Luft abpumpte (evakuierte). Dann ließ er auf beiden Seiten 8 Pferde an den Kugelhälften ziehen, ohne dass die Pferde es schafften, die Halbkugeln zu trennen. Der äußere Luftdruck, der die Kugelhälften zusammen drückte, war einfach zu groß. Der Wissenschaftler Otto von Guericke konnte mit diesem Versuch eindrucksvoll die Wirkung des Luftdruckes nachweisen. Zu dieser Zeit erfand er auch die Luftpumpe und baute das erste Wasserbarometer. Im Jahre 1664 entwickelte von Guericke das Manometer.
Die Vorgänge, die bei der Verbrennung stattfinden, faszinierten die Menschen seit jeher. Eine erste wissenschaftliche Beschreibung der Prozesse, die während einer Verbrennung ablaufen, wurde von Stahl im Jahre 1722 aufgestellt. Nach dieser Theorie entweicht ein Stoff, den er Phlogiston nannte und reichert sich in der Luft an. Aus heutiger Sicht könnte man das Phlogiston als ein Produkt aus Energie und Kohlendioxid bezeichnen. Mit dieser Phlogistontheorie wurden die meisten, bis dahin bekannten Verbrennungsvorgänge und auch bestimmte Reduktionsvorgänge (Erz mit Holzkohle) beschrieben. Auch der deutsche Naturforscher Johann Christian Wiegleb , der als Begründer der modernen Chemie in Deutschland gilt, wurde Anhänger dieser Theorie (Klosa 2009). Die Gewichtszunahme bei der Oxidation von Eisen war aber mit der Phlogistontheorie nicht erklärbar (Golze 2008). Mit der Entdeckung des Sauerstoffs durch Lavoisier konnte diese Theorie dann in die bis heute gültige Oxidationstheorie überführt werden.
In der Folgezeit wurden immer mehr gasförmige Stoffe entdeckt und auch die physikalischen Eigenschaften der Gase immer präziser beschrieben. An dieser Gastheorie, die man über einen Zeitraum von 100 Jahren entwickelte, waren viele bedeutende Wissenschaftler beteiligt.

Erste systematische Untersuchungen zur Gasmesstechnik wurden bereits seit 1837 von Robert Bunsen durchgeführt. Er gilt daher als Begründer der wissenschaftlichen Gasanalyse (Neumann 1901). In Kassel untersuchte Bunsen z.B. die chemischen Vorgänge, die bei einem Hochofenprozess ablaufen und veröffentliche 1839 eine Abhandlung über die Analyse der Verbrennungsgase (Bunsen 1839). Bei seinen Arbeiten fand Bunsen heraus, dass 75 % des Heizwertes der eingesetzten Kohle verloren geht. Er stellte weiterhin fest, dass nur 20 % des Kohlenmonoxids (CO) für den Reduktionsprozess genutzt wurden und der Großteil (80%) aus dem Hochofen entwich (Gichtgas).
Im Jahr 1846 erhielt Bunsen von der dänischen Regierung die Einladung, eine Expedition nach Island zu begleiten. Auf Island untersucht er u.A. den Großen Geyser und fand bei den austretenden Gasen Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid.
1857 veröffentlichte Bunsen das weltweit erste Lehrbuch zur Gasmesstechnik (Bunsen 1857), das in dem gleichen Verlag erschien, wie das vorliegende Werk.

              

Robert Wilhelm Eberhard Bunsen (30. März 1811 in Göttingen; † 16. August 1899 in Heidelberg) war ein deutscher Chemiker.

Im Zeitalter der Industrialisierung wurden gasförmige Stoffe auch für praktische Anwendungen immer wichtiger. Bereits 1786 gab es erste Versuche in England und Deutschland, eine Gasbeleuchtung in Innenräumen zu installieren. Das Leuchtgas aus Steinkohle wurde bereits 1682 von Joachim Becher entdeckt. Seit 1802 sind Gasbeleuchtungen in Werkshallen bekannt. 1860 gab es in Deutschland bereits 350 Gaswerke. Die Anwendung von Gas für chemische Prozesse, Beleuchtungszecken, medizinischen Einsatz und zur Energieerzeugung nahm in dieser Zeit einen rasanten Aufschwung. Die Messtechnik für die unterschiedlichen Gase und deren Konzentration in der Umgebungsluft, hinkte dieser Entwicklung aber weit hinterher. So kam es in der Folgezeit immer wieder zu vielen schwerwiegenden Unfällen. Erste Nachweismöglichkeiten für das gefährliche Kohlendioxid waren den Winzern und Bierbrauern schon seit langem bekannt. Räume, in denen angereichertes CO2 vorhanden war, wurden nur mit einer brennenden Kerze in der Hand betreten. Fing die Kerze an zu flackern oder ging diese sogar aus, bedeutete das einen zu hohen CO2-Gehalt in der Luft und man betrat diesen Raum (zumeist Kellerräume) nicht. Eine vergleichsweise einfache aber auch unzuverlässige Methode.
Im Bergbau wurden bis in die 1950er Jahre Kanarienvögel eingesetzt, um vor Grubengas zu warnen. Beim Abbau von Steinkohle wird dieses Grubengas freigesetzt, das vor allem Methan, Kohlendioxid und auch Kohlenmonoxid enthält. Die Vögel reagieren sehr empfindlich auf einen Anstieg der Gaskonzentration und konnten somit vor einer Gefahr warnen. Aber auch diese Methode war zu unzuverlässig und wurde dann durch elektrisch registrierende Gaswarngeräte ersetzt.

Die ersten elektrisch arbeitenden Gasmessgeräte nutzten die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der Gase, um die Gaskonzentration von Kohlendioxid oder Wasserstoff in der Umgebungsluft zu bestimmen. Bekannt sind diese Messgeräte aus den U-Booten , um die CO2-Konzentration bei einer Tauchfahrt zu erfassen. Mit dieser Methode konnte man auch den Wasserstoffgehalt (H2) in einem Zeppelin messen und vor gefährlichen Gasleckagen zu warnen.

Heutzutage existieren sehr viele technische Möglichkeiten Gase und Dämpfe in der Umgebungsluft oder auch in einem industriellen Prozess zu erfassen. Gasmessgeräte können dabei Konzentrationsbereiche von 100 Vol.-% bis in den ppt -Bereich erfassen. Die Motivation für diese Gasmesstechnik ist dabei sehr unterschiedlich. Neben den zuerst genannten Anwendungen in der Sicherheitstechnik gibt es auch einen zunehmenden Bedarf an Gasmessgeräten in der Qualitätssicherung. Dazu zählen die Messungen der Schadstoffkonzentrationen in der Umgebungsluft (Immissionsmesstechnik) und der Abgabe von Schadstoffen aus Verbrennungsprozessen in die Umgebungsluft (Emissionsmesstechnik/Abgasanalyse). Die zu überwachenden Grenzwerte werden vom Gesetzgeber vorgeben und müssen nach bestimmten Regeln (z.B. TA-Luft ), die genau definiert sind, eingehalten werden. Werden diese Grenzwerte überschritten, hat das rechtliche Konsequenzen. Die eingesetzten Messgeräte erfüllen daher einen sehr hohen Qualitätsstandard. Ähnlich hohe Anforderungen bestehen auch in der Prozessmesstechnik. Die Betreiber dieser Anlagen haben aber eine andere Motivation. Sie möchten die Prozesse möglichst optimal steuern, um den Einsatz von Energie und Rohstoffen zu reduzieren. Das spart Zeit und Geld. Zusätzlich unterliegen auch diese Anlagen zum Teil der Gesetzgebung, die eine Emission von Schadstoffen in die Umwelt reglementieren. Hierbei sind z.B. Schwefelhexafluorid (SF6) zu nennen, das in elektrischen Schaltanlagen zum Einsatz kommt. Andere Gase, die unter besonderer Beobachtung der Behörden stehen, sind die sogenannten FCKW´s, die in Klimaanlagen und Kühlschränke eingesetzt werden.

Aufteilung der Gasmesstechnik in die unterschiedlichen Anwendungsbereiche

Ein weiterer großer Anwendungsbereich der Gasmesstechnik findet sich in der Medizintechnik. Dieser Bereich hat gerade in den letzten 10 Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Hier stehen wir aber noch am Anfang einer bedeutenden Entwicklung. Neben der bekannten Narkosegasanalyse spielt die Gasmesstechnik nun auch in der Diagnose und der Behandlung von Krankheiten eine Rolle. In der Atemluft von Patienten befinden sich z.B. gasförmigen Spurenstoffe, die Hinweise auf bestimmte Krankheiten geben (Hering et.al. 1993). Nachdem bekannt wurde, dass Hunde bestimmte Krebserkrankungen riechen können, besteht der Wunsch nach zuverlässigen Gasmessgeräten für diese Applikation. 1998 erhielten die Forscher Robert Furchgott , Ferid Murad und Louis Ignarro den Medizin-Nobelpreis für die Entdeckung der Wirkung von Stickstoffmonoxid (NO) auf den menschlichen Körper. Die Gruppe fand heraus, das NO für die Blutversorgung von Organen und dessen Rolle als Botenstoff im Organismus wichtig ist. Mit diesen Erkenntnissen über NO erschließen sich neue Möglichkeiten bei der Behandlung von Gefäßerkrankungen und den dadurch bedingten Organschäden. Auch für diesen Einsatz werden NO-Messgeräte benötigt, die geringe NO-Konzentration der Atemluft der Patienten beimischen.

            

Historische Versuchsaufbauten der Gasanalyse aus dem Buch von B. Neumann (Gasanalyse und Gasvolumetrie, Verlag Hirzel 1901)

                

Prof. Wiegleb und Dipl.-Ing. (FH) Tobias Lehmann (Sensors Europe GmbH)  neben einem BASF-URAS aus den 1940er Jahren. Rechts im Bild sieht man einen URAS 2 in EX-Ausführung und als Wandmontage mit einer Gasaufbereitung (1960er Jahre)

             

Rauchgasprüfer mit Fallrohrpumpe (Hartmann & Braun AG) und beheizter Gasentnahmesonde (rechts)

     

historische Entwicklung der Wärmeleitkammer (links) und das Gasanalysegerät CALDOS 2 (Mitte)  von der Hartmann & Braun AG. Rechts sieht man die CALDOS 3 Messzelle (Glas) und die WLD-Messkammer mit einem Thermostaten, der über ein Quecksilberthermometer mit internen Kontakten geregelt wurde.

           

Verschiedene Geräteausführungen früher Sauerstoffanalysatoren nach dem magnetischem Verfahren. Rechts sieht man die historische Messzelle des Siemens Sauerstoffmessers.

Massenspektrometer Model 21-103 mit Digitalausdrucker, CEC GmbH (1962)

        

Mobiles Umweltmesssystem aus der 1960er Jahre

 

Literatur

Bunsen, R.: Analyse der Verbrennungsgase. Dinglers Polytechnisches Journal 1839 (71)

Bunsen, R.: Gasometrische Methoden. Vieweg-Verlag Braunschweig(1857)

Golze, D.: Phlogiston vs. Sauerstoff. Uni Leipzig 2008

Hering, Fuß, Haisch, Fabinski, Wiegleb : Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Isotopenverhältnisse in Gasen. DE 4224146.414.7.1993

Jessel, W.: Gase-Dämpfe-Gasmesstechnik. Ein Kompendium für die Praxis. Dräger AG Lübeck

Klosa, M. A.: Johann Christian Wiegleb (1732-1800) eine Ergobiographie der Aufklärung Wissenschaftliche Verlagsgemeinschaft Stuttgart 2009

Neumann, B.: Gasanalyse und Gasvolumetrie. Verlag von S. Hirzel Leipzig 1901