Feldmäßige Detektion von chemischen Gefahrstoffen

Missbräuchliche Verwendung

Chemikalien sind vielfach unterschätzte tägliche Begleiter und eigentlich keine chemischen Kampfstoffe. Die oft sekundären Eigenschaften der chemischen Stoffe können für unterschiedliche Zwecke missbraucht werden. Das beginnt bei der Nutzung der direkten Eigenschaften der Chemikalien, wie der Giftigkeit oder der Korrosivität, wie sie bei herkömmlichen Reinigungsmitteln vorkommen. Manche handelsüblichen Stoffe können mit dem richtigen Know-how und geringem materiellen Aufwand auch zu Sprengstoffen (Home Made Explosives) oder Drogen umgewandelt werden. Mit größerer Anstrengung, mehr Hintergrundwissen und spezielleren Ausgangsstoffen lassen sich auch chemische Kampfstoffe herstellen.

Dual-Use und Missbrauch

Im klassischen militärischen Szenario sind die atomaren, biologischen und chemischen (ABC)-Kampfmittel und deren Wirkungen bekannt und die Verfügbarkeit und Einsatzwahrscheinlichkeit eine Frage der Feindlage. Auf dieses Szenario ist die ABC-Abwehr prinzipiell gut vorbereitet. Der ABC-Individualschutz erlaubt das weitere Durchführen des Auftrages auch unter überraschenden ABC-Bedingungen. Die ABC-Detektionsfähigkeiten auf Einheitsebene erlauben eine erste Feststellung des Kampfstoffes, und die ABC-Abwehrtruppe führt weitere ABC-Aufklärung mit Identifikation durch und stellt bei Bedarf die Dekontamination sowie das Retten und Bergen im kontaminierten Gebiet und die Wasseraufbereitung sicher.

Das urbane Gefechtsfeld und asymmetrische Feinde halten sich aber nicht an diese Konventionen und stellen die ABC-Abwehr vor Herausforderungen. Die Vielzahl an möglichen Chemikalien, deren Verfügbarkeit auf dem urbanen Gefechtsfeld und die Dual-Use-Problematik sind hier zu nennen. Mit Dual-Use können Chemikalien und Vorläuferstoffe bezeichnet werden, die für zivile Zwecke notwendig sind, aber durch entsprechende Verarbeitung oder andere Anwendung als Waffen zum Einsatz kommen können (z. B. Düngemittel oder Desinfektionsmittel). Hinzu kommen noch technologische Entwicklungen wie die Kampfstoffe der vierten Generation (Nervengift Nowitschok ist ein Fourth Generation Agent), die schwieriger aufzufinden und nachzuweisen sind.
Mit der Covid-19-Pandemie rückte auch die ABC-Abwehr mit ihren Fähigkeiten verstärkt in den militärischen Fokus. Darauf aufbauend wurden bereits erste Investitionen getätigt, die Detektions- und Identifikationsfähigkeit der ABC-Abwehrtruppe auf die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen ausrichten sollen.

Hohe Standards im ABC-Individualschutz

Werden Detektoren im ABC-Individualschutz benutzt, bedeutet eine Anzeige (Alarm) die Auslösung des ABC-Alarms. Die im Bundesheer eingeführten Messgeräte sind so sensitiv, dass diese stoffabhängig auf Konzentrationen reagieren, denen man ein paar Minuten ungeschützt ausgesetzt sein kann, bevor ein Schaden eintritt (soweit das technologisch möglich ist). Werden die Geräte von ABC-Spezialisten verwendet, müssen die Ergebnisse hinterfragt und verifiziert werden. Speziell im urbanen Gefechtsfeld kann eine Vielzahl von Chemikalien vorhanden sein, die eine Anzeige bedingen, ohne eine mit chemischen Kampfstoffen vergleichbare Gefahr darzustellen. Deshalb sollten möglichst viele verschiedene Detektortechnologien im Feld angewendet werden. Unterschiedliche Technologien reagieren auf unterschiedliche Querempfindlichkeiten,. Ein technologieübergreifend übereinstimmendes Ergebnis gewährt daher eine höhere Ergebnissicherheit. Querempfindlichkeiten sind aber nicht immer etwas Negatives. Derartige Stoffe werden als Prüfmittel für die Einsatzbereitschaftsprüfung der Geräte verwendet und kommen als Simulationsmittel bei der Ausbildung und im Training zur Anwendung.

Nervengasanzeiger

Der Nervengasanzeiger (Teil des ABC-Selbsthilfesatzes/ABC-Individualschutzes) ist ein enzymatischer Nachweis, dass ein Nervenkampfstoff (Acetylcholinesterase-Inhibitor) anwesend ist. Verfärbt sich der Träger blau oder grün ist kein Nervenkampfstoff vorhanden, bei allen anderen Farben schon. Der Detektor arbeitet mit einem Enzym und reagiert auf alle Substanzen, die dieses Enzym hemmen. Dadurch können Fourth Generation Agents und andere Substanzen wie Pestizide detektiert werden, wenn sie dieselben Effekte wie Nervenkampfstoffe hervorrufen. Vorteile des Nervengasanzeigers: schnell, einfach, robust, keine Querempfindlichkeiten, keine Einlaufzeit, kein Strombedarf, sehr empfindlich, zeigt Substanzen in der Gas- und wässrigen Phase an. Nachteil: zeigt nur Acetylcholinesterase-Inhibitoren an, daher ist eine Blindprobe sinnvoll.

Kampfstoffnachweispapier

Das Kampfstoffnachweispapier (Teil des ABC-Selbsthilfesatzes/ABC-Individualschutzes) ist ein mit mehreren Farbstoffen imprägniertes Papier mit einer klebenden Seite, das speziell für chemische Kampfstoffe entwickelt wurde. Das Papier (CALID-3 Paper – Chemical Agent Liquid Detector Paper) reagiert dabei unterschiedlich auf drei Gruppen:

• gelb, Nervenkampfstoffe der G-Reihe (Sarin, Tabun, Soman etc.);
• grün, Nervenkampfstoff der V-Reihe (VX, VXR);
• rot, Hautkampfstoffe.

Es kann bei jeder Flüssigkeit angewendet werden und funktioniert temperaturunabhängig (solange die Zielflüssigkeit nicht fest wird). Die Farbe Rot ist besonders querempfindlich und kann durch eine Vielzahl anderer Chemikalien (Lösungsmittel, chlorhaltige Substanzen) erscheinen. Vorteile des Kampfstoffnachweispapieres: keine Einlaufzeit, kein Strombedarf, wirkt auch bei Fourth Generation Agents wie dem Nervengift Nowitschok. Nachteile: kein Mindesthaltbarkeitsdatum und trotzdem keine Funktion bei zu hohem Alter durch Austrocknung der Farbstoffe, Querempfindlichkeiten (Chlor, Lösungsmittel etc.).

Flammenphotometer

Der ABC-Abwehrtruppe steht das Flammenphotometer zur Verfügung. Im Gegensatz zum Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) detektiert das Flammenphotometer mit dem AP4C keine ganzen Moleküle, sondern Stoffbestandteile wie Phosphor, Schwefel, Arsen und organische Stickstoffverbindungen. Dadurch reagiert die Technologie auch auf Vorläuferstoffe und Abbauprodukte, wenn die entsprechenden Elemente in diesen vorkommen. Ein Vorteil ist, dass das Gerät mit einem separaten Verdampfungsadapter ausgeliefert wird, womit auch Flüssigkeiten untersucht werden können. Diese Technologie stellt eine gute Ergänzung für das IMS dar.

Vorteile des Flammenphotometers AP4C: robust, alternative Technik zum Ionenmobilitätsspektrometer (IMS), optische und akustische Warnung, exzellente Ansprechzeit, zusätzlicher Adapter zur Verdampfung von Flüssigkeiten, „Punktspüren“, „elementare Anzeige“ (reagiert auf alle Stoffe, die die Ziel-Elemente enthalten – viele Stoffe können detektiert werden). Nachteile: Wasserstoffkartuschen (sind Gefahrgut beim Transport), „elementare Anzeige“ (nicht nur gefährliche Stoffe werden detektiert).

Photoionisationsdetektor

Der Photoionisationsdetektor (PID) steht der ABC-Abwehrtruppe zur Verfügung. Bei dieser Technologie wird ein breites Spektrum an Stoffen mit einer UV-Lampe ionisiert. Die Geräte eignen sich aufgrund schneller Ansprechzeiten ideal zur Lecksuche und können, wenn nur ein Stoff atmosphärisch vorherrscht, auch Konzentrationen messen. Allerdings lässt sich von einem Signal ohne zusätzliche Informationen nicht auf die Art des detektierten Stoffes schließen. Vorteile des Photoionisationsdetektors MultiPID2: empfindlich, schnelle Ansprechzeit, Ex-Geschützt, Konzentrationsinformation (bei Reinstoffen). Nachteil: keine stoffspezifische Information.

Einzelgassensor

Der Einzelgassensor „X-am 7000“ (XAM) steht der ABC-Abwehrtruppe zur Verfügung. Es gibt eine Vielzahl an weiteren Sensoren, die speziell für Gas konstruiert werden. Diese können elektrochemisch, katalytisch oder mit Infrarotlicht funktionieren und kommen einzeln oder kombiniert bis zu fünf Stück zum Einsatz. Sie zeigen eine Konzentration der Zielsubstanz an, jedoch müssen sie regelmäßig (alle 120 bis 180 Tage) kalibriert werden. Grundsätzlich sind solche Geräte für den Arbeitsschutz konstruiert und die voreingestellten Alarme orientieren sich an zivilen Grenzwerten wie der „maximalen Arbeitsplatzkonzentration“. Vorteile des Einzelgassensors „X-am 7000“ (XAM): schneller Überblick, Ex-Geschützt, Konzentrationsinformation, Warn- & Alarmschwelle (optisch & akustisch). Nachteile: Einlaufzeiten, Ansprechzeiten mit Sonde (zehn bis 35 Sekunden), Katalysatorgifte (bestimmte Stoffe können die katalytischen Sensoren beschädigen), Kalibrierung alle vier Monate.

Fourier Transformation Infrarot Spektroskopie

Die Fourier Transformation Infrarot Spektroskopie (FTIR) nutzt ebenfalls einen Laser wie die Raman-Spektroskopie und steht der ABC-Abwehrtruppe zur Verfügung. Bei der FTIR-Spektroskopie wird der Laser benutzt, um ein Signal von der festen oder flüssigen Probe zu erhalten. Dieser wird durch einen Kristall mit direktem Kontakt in die Probe gelenkt und das Signal wiederum durch diesen Kristall aufgenommen. Eine flüssige Probe benetzt den Kristall optimal, Feststoffproben hingegen müssen an den Kristall angepresst werden. Das Gerät benutzt die Fourier Transformation, eine mathematische Methode, um aus dem Signal ein Spektrum zu erhalten.

Dieses Spektrum wird mit einer Datenbank verglichen und die unbekannte Substanz so identifiziert. Allerdings sind nicht alle Substanzen „IR-aktiv“. Als Faustregel gilt, dass die Substanzen, bei denen Raman nicht funktioniert, dann mit FTIR erkannt werden können. Die Empfindlichkeit liegt ähnlich wie bei der Raman-Spektroskopie im Bereich von zehn Prozent. Eine Limitation dieser Technologie ist der bereits angesprochene direkte Kontakt mit dem Gefahrstoff. Das Gerät wird also durch die Messung kontaminiert. Das bedeutet einen Mehraufwand bei der Anwendung im Feld, da eine Dekontamination nach jeder Messung erfolgen muss.

Vorteile der Fourier Transformation Infrarot Spektrometer mit dem „HazMatID Elite“ (HMIE): Gewicht, Einsatzzeit, intuitiv bedienbar. Nachteile: direkter Kontakt (und Kontamination), Empfindlichkeit (unbekannte Stoffe werden nur bei einer Konzentration von mehr als zehn Prozent richtig erkannt), funktioniert nur, wenn der Stoff Infrarot-aktiv ist.

Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie steht derzeit nur der 1. ABC- und Umweltmessstelle am ABC-Abwehrzentrum zur Verfügung. Bei der Massenspektrometrie wird die gasförmige Probe mittels Hochspannung ionisiert. Feste und flüssige Proben müssen fein verteilt und verdampft werden, um sie für dieses Verfahren zugänglich zu machen. Je nach Ionisierungsverfahren und Energie zerbrechen die Moleküle statistisch in Bruchstücke oder bleiben ganz. Die Moleküle und Bruchstücke werden in einem Filter nach ihrem Masse-Ladungsverhältnis aufgetrennt, so dass immer nur eine bestimmte Masse pro Zeitfenster auf den Detektor trifft. Daraus ergibt sich das Massenspektrum, das wieder mit einer entsprechenden Datenbank verglichen wird.

Es gibt derzeit nur ein Gerät auf dem Markt, das „MX908“, bei dem als Massenfilter eine Ionenfalle zum Einsatz kommt. Das „MX908“ zeichnet sich durch verschiedene Messmodi aus, die nicht nur eine Messung der Gas-/Dampfphase (VAPOR-Modus) erlauben, sondern auch Flüssigkeiten und Feststoffe (TRACE-Modus) sowie Aerosole (AEROSOL-Modus) zugänglich machen.

Ein weiterer Vorteil dieses Gerätes ist, dass es über eine Datenbank verfügt, die Nowitschok enthält und es daher derzeit das einzige der hier beschriebenen Identifikationsgeräte ist, das diese neue Kampfstoffgruppe identifizieren kann. Ein Nachteil ist die aufwendige Dekontamination nach einer Fest- oder Flüssigmessung. Vorteile der Massenspektrometrie mit dem „MX908“: Gewicht, Einsatzzeit, hochempfindlich, verschiedene Messmodi (Gas, Dampf, Aerosol, flüssig, fest). Nachteile: Kontaminationsgefahr im TRACE-Messmodus, aufwendige Dekontamination, Überladungsgefahr bei der Messung von Flüssig- und Feststoffen, spezielle Form der Ionisierung und daher nicht mit den üblichen Massenspektrendatenbanken kompatibel.

Gaschromatographie-Massenspektrometrie

Die Gaschromatographie-Massenspektrometrie steht der ABC-Abwehrtruppe zur Verfügung. Dabei wird die Massenspektrometrie mit der Gaschromatographie kombiniert, wodurch vor dem Massenfilter ein zusätzlicher Auftrennungsschritt erfolgt und auch komplexe Mischungen analysiert werden. Bei der Gaschromatographie wird die gasförmige Probe durch eine 15 Meter lange Kapillare geströmt wobei die enthaltenen Moleküle unterschiedlich mit der beschichteten Wand der Kapillare reagieren und so unterschiedlich lang für den Weg hindurch benötigen. Diese Technologie stellt den Gold-Standard der feldmäßigen chemischen Identifikation dar. Ist bei der Auswertung nicht auf den ersten Blick ein Ergebnis erkennbar, ist es unbedingt notwendig, auf Reach-Back (Fachberatung durch Experten, die nicht vor Ort sind – in diesem Fall Chemiker) für eine detaillierte Analyse der aufgenommenen Spektren zurückzugreifen. Das im Bundesheer eingeführte Gerät HAPSITE (Hazardous Air Pollutants on Site) ist deutlich größer und schwerer (20 kg) als die zuvor beschrieben. Es kann fahrzeuggestützt (auf dem Allschutz-Transport-Fahrzeug „Dingo“) oder auf dem Rücken getragen werden.

Vorteile der Gaschromatographie-Massenspektrometrie mit dem HAPSITE: hochempfindlich, Identifikation auch von komplexen Mischungen möglich. Nachteile: Gewicht (20 kg), bei Anwesenheit von sauren Gasen kann das Gerät beschädigt werden, eine Messungsdauer von zehn Minuten im Analyse-Modus.