DE102005022433B3 - System zur Detektion aerosolhaltiger Kampfstoffe und Fahrzeug dazu - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System zur Detektion aerosolhaltiger Kampfstoffe, umfassend aktive und passive Mittel (8, 9) zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole, Mittel (4, 5) zur Luft- und Bodenprobenahme, Mittel (6, 10, 11) zur selektiven on-bord Analytik aufgenommener Proben zur Charakterisierung kampfstoffspezifischer Aerosole und Mittel (7) zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug (1) mit einem System zur Detektion aerosolhaltiger Kampfstoffe, wobei der Innenraum des Fahrzeugs (1) in eine Fahrgastzelle (2) und einen abgeschlossenen Arbeitsraum (3) aufgeteilt ist, derart, DOLLAR A dass in dem Arbeitsraum (3) Mittel (4, 5) zur Luft- und Bodenprobenahme, eine Einrichtung (6) zur Durchführung eines Selektivnachweises von biologischen Kampfstoffen an den aufgenommenen Proben mittels Polymer-Chain-Reaktion oder Single-Molecule-Detection und Mittel (7) zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse vorhanden sind und DOLLAR A dass in der Fahrgastzelle (2) aktive und passive Mittel (8, 9) zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole und Mittel (10, 11) zur selektiven on-bord Analytik aufgenommener Proben zur Charakterisierung kampfstoffspezifischer Aerosole vorhanden snd, wobei Mittel (12) vorhanden sind zur Einbringung von Laserlicht in den Arbeitsraum (3) zur Spektroskopie an Aerosolen in einem Spektrometer (11) sowie zur Ausbringung optischer Messsignale.
Description
- Die Erfindung betrifft ein System zur Detektion aerosolhaltiger Kampfstoffe gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Fahrzeug dazu gemäß Patentanspruch 7.
- Bei ihren Einsätzen in Krisengebieten sind Streit- oder Hilfskräfte verstärkt der Gefahr des Einsatzes von chemischen oder biologischen Kampfstoffe ausgesetzt. Die Herstellung chemischer und biologischer Kampfstoffe ist heute selbst nichtmilitärischen Gruppierung möglich, wie der Anschlag der Aum-Sekte 1995 in Japan zeigt. Es ist daher erforderlich, dass den Einsatzkräften entsprechende Detektions- und Analyseeinrichtungen zur Verfügung gestellt werden. Biologische und chemische Kampfstoffe werden üblicherweise in Form von Aerosolen mittels Granaten, Raketen oder Bomben ausgebracht, auch eine Ausbringung mittels Fluggeräte ist denkbar.
- Hinsichtlich der Detektion chemischer Kampstoffe ist der Spürpanzer FUCHS bekannt. Der Spürpanzer FUCHS ist das Hauptwaffensystem der ABC-Abwehrtruppe des deutschen Heeres. Mit diesem System ist eine sichere und schnelle Identifizierung und der spezifische Nachweis von A- und C-Kampfstoffen möglich. Eine Detektion biologischer Kampfstoffe ist mit dem Spürpanzer FUCHS allerdings nicht möglich.
- Aus
DE 1 931 804 U ist ein Fahrzeug ausgerüstet mit Einrichtungen zur Dekontamination bekannt. AusEP 1 319 918 A2 ist ein Basisfahrzeug mit Tochterfahrzeug bekannt, das Proben sammelt und zum Basisfahrzeug zurückbringt. - In US 2004/0043443 A1 wird ein Verfahren zur Detektion von Aerosolen beschrieben, bei welchem ein Nachweis nach der Polymer-Chain-Reaktion erfolgt.
- In
DE 43 24 154 A1 wird ein Verfahren zur Detektion von gasförmigen Verbindungen, nicht aber von Kampfstoffaerosolen beschrieben. - Das Dokument US 2004/0150818 A1 beschreibt ein Verfahren zur oberflächenverstärkten Ramanstreuung. Dieses Verfahren ist ein reines Laborverfahren und für die Fernortung von Aerosole nicht geeignet.
- Das Dokument US 2004/0175294 A1 beschreibt ein LIDAR-System zur Detektion gasförmiger Verbindungen, aber nicht von Kampfstoffaerosolen.
- Aus
US 4,725,733 ist ein System bekannt, mit welchem eine thermische Wolke mittels einer Wärmebildkamera untersucht wird. - Aus US 2004/0064260 A1 ist ein Netzwerk von Sensoren bekannt zur Detektion und Identifikation von biologischen und chemischen Kampfstoffen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes System zu schaffen, mit welchem die Detektion und Analyse aerosolhaltiger Kampfstoffe möglich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug anzugeben, mit welchem ein solches System betrieben werden kann.
- Diese Aufgaben werden mit dem System gemäß Patentanspruch 1 und mit dem Fahrzeug gemäß Patentanspruch 7 gelöst.
- Das erfindungsgemäße System zur Detektion aerosolhaltige Kampfstoffe umfasst aktive und passive Mittel zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole, wobei ein aktives Mittel ein LIDAR-System ist umfassend einen gepulsten Laser zur Bestimmung der Aerosolgröße aus der Bestimmung des Polarisationsgrades des elastischen Anteils des Streulichts bezüglich linearer und zirkularer Polarisation und zur Bestimmung der Entfernung zur analysierenden Aerosolwolke aus der gemessenen. Zeitdifferenz des ausgesendeten Primärpulses des LIDAR-Systems und des empfangenen Streupulses an einem Detektor, Mittel zur Luft- und Bodenprobenahme, Mittel zur selektiven on-bord Analytik aufgenommener Proben zur Charakterisierung kampfstoffspezifischer Aerosole und Mittel zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse.
- Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug mit einem System zur Detektion aerosolhaltiger Kampfstoffe ist der Innenraum des Fahrzeugs in eine Fahrgastzelle und einen abgeschlossenen Arbeitsraum aufgeteilt. Erfindungsgemäß sind in dem Arbeitsraum Mittel zur Luft- und Bodenprobenahme, eine Einrichtung zur Durchführung eines Selektivnachweises von biologischen Kampfstoffen an den aufgenommenen Proben mittels Polymer-Chain-Reaktion oder Single-Molecule-Detection und Mittel zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse vorhanden. Ferner sind erfindungsgemäß in der Fahrgastzelle aktive und passive Mittel zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole und Mittel zur selektiven on-bord Analytik aufgenommener Proben zur Charakterisierung kampfstoffspezifischer Aerosole vorhanden, wobei ein aktives Mittel ein LIDAR-System ist umfassend einen gepulsten Laser zur Bestimmung der Aerosolgröße aus der Bestimmung des Polarisationsgrades des elastischen Anteils des Streulichts bezüglich linearer und zirkularer Polarisation und zur Bestimmung der Entfernung zur analysierenden Aerosolwolke aus der gemessenen Zeitdifferenz des ausgesendeten Primärpulses des LIDAR-Systems und des empfangenen Streupulses an einem Detektor, wobei Mittel vorhanden sind zur Ein bringung von Laserlicht in den Arbeitsraum zur Spektroskopie an Aerosolen in einem Spektrometer sowie zur Ausbringung optischer Messsignale.
- Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im weiteren an hand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäße Systems, -
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. -
1 zeigt eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Systems. - Ein aktives Mittel
8 zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole ist erfindungsgemäß ein LIDAR (light detection and ranging)-System, umfassend einen gepulsten Laser8a sowie Mittel8b zur spektralen Analyse der elastischen sowie inelastischen Anteile im Streulicht. - Bei einem LIDAR-System handelt es sich um ein aktives System, bei welchem ein gepulster Laserstrahl auf die zu untersuchende Aerosolwolke (nicht dargestellt) gerichtet wird. Das zurückgestreute Licht wird analysiert.
- Die Anmessung einer Kampfstoff-Aerosolwolke erfolgt mittels eines Pulslasers, vorzugsweise mittels eines Festkörperlasers, z.B. ein Kurzpuls NdYAG-Laser mit Pulsen im ns-Bereich. Aus der gemessenen Zeitdifferenz des ausgesandten Primärpulses und des empfangenen Streupulses an einem Detektor wird die Entfernung zur analysierenden Aerosolwolke bestimmt. Aus der Bestimmung des Polarisationsgrades des elastischen Anteils des Streulichts bezüglich linearer und zirkularer Polarisation lässt sich die Aerosolgröße bestimmen. Aus der spektralen Analyse der inelastischen Anteile (Raman-Streuung) lassen sich biologische Moleküle in der Aerosolwolke identifizieren.
- Zweckmäßig kann aus der Zwei-Wellenlängen-Messmethode über die Intensitätsverhältnisse der Aerosole auf den komplexen Brechungsindex des Streumediums (Aerosolwolke) geschlossen werden. Dadurch ist eine Charakterisierung der kampfstoffspezifischen Aerosole möglich.
- Das LIDAR-System kann zweckmäßig mit nach geschalteten Mitteln (nicht dargestellt) zur Alarmauslösung ausgestattet sein.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist ein passives Mittel
9 zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole eine Wärmebildkamera9a , welche mit einem Spektrometer9b umfassend Bandfilter zur Detektion von Aminogruppen gekoppelt ist. Die Wärmebildkamera ist vorzugsweise im Bereich 2–5 μm und/oder 8–12 μm hochempfindlich. - Beim Ausbringen biologischer oder chemischer Kampfstoffe entsteht eine Aerosolwolke, welche aufgrund des Ausbringungsmechanismus eine von der Umgebung verschiedene Temperatur besitzt. Die Temperaturrelaxation der Aerosolwolke auf Umgebungsbedingungen erfolgt langsam, so dass mit einer Wärmebildkamera eine Aerosolwolke erkannt werden kann. Vorteilhaft wird die von der Aerosolwolke emittierte Infrarotstrahlung zusätzlich hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung analysiert. Mittels Bandfilter ist es möglich spezifische Molekül-IR-Emissionen zu detek tieren, wodurch die Charakterisierung von Aminogruppen, z.B. NH2-, SH-, PO-, CO-, CH-Gruppen möglich ist.
- Durch den Einsatz von Teleobjekten (nicht dargestellt) ist es möglich, mit der Wärmebildkamera Aerosolwolken in einer Entfernung von über 5 km zu detektieren und zu analysieren.
- Vorteilhaft ist ein Mittel
10 ,11 zur on-bord Analytik aufgenommener Proben eine Einrichtung zur laserspektroskopischen Analytik der Probe. Bei dieser Art der Spektroskopie, auch als Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) bezeichnet, wird auf einer zu untersuchenden Probe11 mittels eines Lasers10 ein Oberflächenplasma erzeugt. Die dabei entstehenden Fragmente in Form von Atomen und Molekülen werden zu spezifischen Linien- bzw. Bandenemissionen angeregt und spektroskopiert. Hierbei ist es möglich spezifische Atome bzw. Moleküle, insbesondere C, C2, CH, CH2, N, NH, NH2, O, OH, S, SH, P, PH zu detektieren. Es ist somit auch möglich, einen biologischen Kampfstoff, z.B. in Form eines Aerosols, hinsichtlich des Gehalts an organischem Material schnell zu analysieren. Es ist darüber hinaus möglich, anhand spezifischer Emissionslinien Rückschlüsse auf die Art des Kampfstoffe zu ziehen, d.h. ob es sich bei dem Kampfstoff um Mikroorganismen oder Toxine handelt. - Ein weiteres vorteilhaftes Mittel
6 zur on-bord Analytik aufgenommener Proben ist eine Einrichtung zur Durchführung eines Selektivnachweises von biologischen Kampfstoffen mittels Polymer-Chain-Reaktion oder Single-Molecule-Detection. - Im Hinblick auf eine selektive Analytik von biologischen Kampfstoffen sind bekannte Maßnahmen, z.B. Anzüchtung und nachfolgende mikroskopische Bestimmung (optisch oder mittels Elektronenmikroskope) und/oder sequentielle DNA-Analysen nicht geeignet. Dies ist darin begründet, dass diese Analysen einen instrumentellen Aufwand inklusiv physikalisch-chemischer Infrastruktur sowie entsprechend ausgebildeten Personal benötigen, der im Einsatzfall unter Umständen nicht zur Verfügung gestellt werden kann.
- Mit einer Polymer-Chain-Reaktion oder Single-Molecule-Detection ist es möglich, innerhalb kurzer Zeit, typischerweise 30 min, das relevanter Spektrum biologischer Agenzien zu analysieren.
- Ein für den Einsatzfall relevantes Spektrum biologischer Agenzien umfasst hierbei aus der Gruppe der Bakterien : Bacillus anthracis, Coxiella burnetii, Francisella tula rensis und Yersinia pestis, aus der Gruppe der Toxine : Chlostridientoxine (Botulinumtoxin A, B, D), Ricin und Stapphylokokkenterotoxin B sowie aus der Gruppe der Viren : Alphaviren (Genus Alphaviren), Ebola-Virus, Genox Orthopox-Vren uns Lassa-Virus.
- Das Mittel
4 zur Luftprobenahme umfasst vorteilhaft einen Impaktor zur Aerosolabtrennung aus der Außenluft. - Die erfindungsgemäßen Mittel
7 zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse dienen dazu Probenmaterial in hermetisch abschließbaren Behältern zu verpacken, so dass eine exakte Analyse außerhalb des Gefahrenbereichs möglich ist. -
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. - Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug
1 mit einem System zur Detektion aerosolhaltiger Kampfstoffe ist der Innenraum des Fahrzeugs1 in eine Fahrgastzelle2 und einen abgeschlossenen Arbeitsraum3 aufgeteilt. - Erfindungsgemäß sind in dem Arbeitsraum
3 Mittel4 zur Luftprobennahme und Mittel5 zur Bodenprobenahme, eine Einrichtung6 zur Durchführung eines Selektivnachweises von biologischen Kampfstoffen an den aufgenommenen Proben mittels Polymer-Chain-Reaktion oder Single-Molecule-Detection und Mittel7 zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse vorhanden. - Ferner sind erfindungsgemäß in der Fahrgastzelle
2 aktive Mittel8 und passive Mittel9 zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole und Mittel10 zur selektiven on-bord Analytik aufgenommener Proben zur Charakterisierung kampfstoffspezifischer Aerosole vorhanden, wobei Mittel12 vorhanden sind zur Einbringung von Laserlicht in den Arbeitsraum zur Spektroskopie an Aerosolen in einem Spektrometer11 sowie zur Ausbringung optischer Messsignale. - Bei dem aktiven Mittel
8 zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole handelt es sich z.B. um ein LIDAR (light detection and ranging)-System, umfassend einen gepulsten Laser8a sowie Mittel8b zur spektralen Analyse der elastischen sowie inelastischen Anteile im Streulicht. - Das Mittel
4 zur Luftprobenahme umfasst insbesondere einen Impaktor zur Aerosolabtrennung aus der Außenluft. - Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst vorteilhaft eine ausfahrbare, horizontal und vertikal schwenkbare Wärmebildkamera
9a . Zweckmäßig ist die Wärmebildkamera9a an einem Mast9c befestigt. Die Wärmebildkamera9a ist dabei zweckmäßig in Bereich 2–5 μm und/oder 8–12 μm hochempfindlich. - Die Wärmebildkamera
9a ist mit einem Spektrometer9b umfassend Bandfilter (nicht dargestellt) zur Detektion von Aminogruppen gekoppelt. Dadurch kann eine Aerosolwolke gezielt auf biologische Kampfstoffe untersucht werden. - Durch den Einsatz von Teleobjekten (nicht dargestellt) ist es möglich, mit der Wärmebildkamera
9a Aerosolwolken in einer Entfernung von über 5 km zu detektieren und zu analysieren. - Das Fahrzeug
1 ist zweckmäßig ein geschütztes Rad- oder Kettenfahrzeug, z.B. auf Basis des Transportpanzers DINGO der deutschen Bundeswehr.
Claims (7)
- System zur Detektion und Bestimmung aerosolhaltige Kampfstoffe in einer Aerosolwolke, umfassend aktive und passive Mittel (
8 ,9 ) zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole, Mittel (4 ,5 ) zur Luft- und Bodenprobenahme, wobei ein aktives Mittel (8 ) ein LIDAR-System ist umfassend einen gepulsten Laser (8a ) zur Bestimmung der Aerosolgröße aus der Bestimmung des Polarisationsgrades des elastischen Anteils des Streulichts bezüglich linearer und zirkularer Polarisation und zur Bestimmung der Entfernung zur analysierenden Aerosolwolke aus der gemessenen Zeitdifferenz des ausgesendeten Primärpulses des LIDAR-Systems und des empfangenen Streupulses an einem Detektor, Mittel (6 ,10 ,11 ) zur selektiven on-bord Analytik aufgenommener Proben zur Charakterisierung kampfstoffspezifischer Aerosole und Mittel (7 ) zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse. - System nach Anspruch 1, wobei das passive Mittel (
9 ) zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole eine Wärmebildkamera (9a ) ist, welche mit einem Spektrometer (9b ) umfassend Bandfilter zur Detektion von Aminogruppen gekoppelt ist. - System nach Anspruch 2, wobei die Wärmebildkamera (
9a ) im Bereich 2–5 μm und/oder 8–12 μm hochempfindlich ist. - System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Mittel (
10 ,11 ) zur on-bord Analytik aufgenommener Proben ein Mittel zur laserspektroskopischen Analytik der Probe ist. - System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein weiteres Mittel (
6 ) zur on-bord Analytik aufgenommener Proben eine Einrichtung zur Durchführung eines Selektivnachweises von biologischen Kampfstoffen mittels Polymer-Chain-Reaktion oder Single-Molecule-Detection ist. - System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel (
5 ) zur Luftprobenahme einen Impaktor zur Aerosolabtrennung aus der Außenluft umfassen. - Fahrzeug (
1 ) mit einem System zur Detektion und Bestimmung aerosolhaltiger Kampfstoffe in einer Aerosolwolke, wobei der Innenraum des Fahrzeugs (1 ) in eine Fahrgastzelle (2 ) und einen abgeschlossenen Arbeitsraum (3 ) aufgeteilt ist, derart, dass in dem Arbeitsraum (3 ) Mittel (4 ,5 ) zur Luft- und Bodenprobenahme, eine Einrichtung (6 ) zur Durchführung eines Selektivnachweises von biologischen Kampfstoffen an den aufgenommenen Proben mittels Polymer-Chain-Reaktion oder Single-Molecule-Detection und Mittel (7 ) zur Aufbereitung und Verpackung von Probenmaterial zur externen Analyse vorhanden sind und dass in der Fahrgastzelle (2 ) aktive und passive Mittel (8 ,9 ) zur Fernortung kampfstoffspezifischer Aerosole umfassend eine ausfahrbare, horizontal und vertikal schwenkbare Wärmebildkamera (9a ) und Mittel (10 ,11 ) zur selektiven on-bord Analytik aufgenommener Proben zur Charakterisierung kampfstoffspezifischer Aerosole vorhanden sind, wobei ein aktives Mittel (8 ) ein LIDAR-System ist umfassend einen gepulsten Laser (8a ) zur Bestimmung der Aerosolgröße aus der Bestimmung des Polarisationsgrades des elastischen Anteils des Streulichts bezüglich linearer und zirkularer Polarisation und zur Bestimmung der Entfernung zur analysierenden Aerosolwolke aus der gemessenen Zeitdifferenz des ausgesendeten Primärpulses des LIDAR-Systems und des empfangenen Streupulses an einem Detektor, und wobei Mittel (12 ) vorhanden sind zur Einbringung von Laserlicht in den Arbeitsraum (3 ) zur Spektroskopie an Aerosolen in einem Spektrometer (11 ) sowie zur Ausbringung optischer Messsignale.
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