Geruchssensoren: Hightech-Nasen nach dem Vorbild der Natur

6. Februar 2019
6 Min.

Alle Infos auf einen Blick

  • Geruchssensoren orientieren sich am biologischen Vorbild der menschlichen Nase.
  • Die elektronischen Nasen messen die Zusammensetzung der Moleküle in der Luft, die für Gerüche verantwortlich sind.
  • Solche Messgeräte könnten bald auch in Smartphones eingesetzt werden.
  • Es besteht noch viel Verbesserungspotenzial.

Der deftige Duft angebratener Zwiebeln, der frische Geruch von gemähtem Rasen oder auch der beißende Gestank einer vollen Windel – im Laufe seines Lebens lernt der Mensch eine Vielzahl an Gerüchen kennen und zuzuordnen. Bis zu einer Billion (1.000.000.000.000) Duftnoten nimmt die menschliche Nase einer Studie zufolge wahr.1 Unwahrscheinlich, dass ein Messgerät jemals all die komplexen Gerüche ermitteln könnte. Oder doch nicht? Elektronische Nasen – auch Geruchssensoren genannt – sollen Düfte ähnlich erkennen, wie die des Menschen. Aber welche Funktionen haben die Hightech-Nasen wirklich und wofür werden sie benötigt?

Frau im Supermarkt benutzt Smartphone mit Geruchssensor, um zu erkennen, ob das Gemüse frisch ist.

So funktionieren die elektronischen Nasen

Bereits an der Theke im Supermarkt per Smartphone erkennen, ob Fisch und Käse wirklich frisch sind – das versprechen sogenannte elektronische Nasen, die sogar bald in den künftigen Smartphone-Generationen verbaut werden könnten. Diese Geruchssensoren wurden nach dem Vorbild der menschlichen Nase entwickelt. Sie bestehen aus einigen Gassensoren, die einen Geruch als Konstellation verschiedener Moleküle in Form von Gasen in der Luft messen und spezielle Muster bestimmten Duftnoten – zum Beispiel dem Gestank von Rauch – zuweisen, die in den Sensor einprogrammiert wurden. In ihrer Funktion ahmen diese einzelnen Sensoren die Riechzellen des Menschen nach.

Für eine genaue Zuordnung zu einem Duft werden der elektronischen Nase zuvor bestimmte Zusammensetzungen in der Luft „erlernt“. Es ist ihr dadurch möglich, verschiedene Gerüche voneinander zu unterscheiden und ein eindeutiges Ergebnis zu liefern – ganz ähnlich, wie die Nase des Menschen.

Schon gewusst?

Durch das Einatmen gelangen Duftstoffe, die im Grunde nichts anderes als Moleküle (winzig kleine chemische Substanzen) sind, in die Nase. Sinneszellen des olfaktorischen und trigeminal-nasalen Systems, den beiden Riechsystemen der Nase, werden durch die Gerüche stimuliert und senden entsprechende Signale an das Gehirn. Auf diese Weise nimmt der Mensch eine bestimmte Kombination von Duftmolekülen als Gerüche wahr. Im Laufe seines Lebens lernt er zahlreiche davon kennen, „speichert“ die zugehörigen Signalmuster im Gehirn und macht sie dadurch zuordenbar.

Bisher entwickelte Geruchssensoren sind denkbar klein – nur wenige Zentimeter misst beispielsweise ein Exemplar, das das Karlsruher Institut für Technologie entwickelt hat. Es besteht aus einem Chip mit einigen einzelnen Sensoren. Diese sind jeweils mit Nanodrähten aus Zinndioxid versehen, die bei der Messung mit UV-Licht bestrahlt werden, was eine Herabsetzung des elektrischen Widerstandes bewirkt. In der Luft vorhandene „Duftmoleküle“ lagern sich auf der Oberfläche des Zinndioxids an und verursachen eine Änderung des elektrischen Widerstandes, welche wiederum die Messung des Geruchs ermöglicht.2

Wo werden die Geruchssensoren eingesetzt?

Sicher kommt nun die Frage auf: Wenn die elektronische Nase ähnlich funktioniert, wie die menschliche – warum benötigen wir sie überhaupt? Die Antwort: Der Sensorchip kann in den verschiedensten Umgebungen eingesetzt werden und sogar der Sicherheit dienen. Zu den möglichen Einsatzbereichen zählt unter anderem die permanente Geruchsüberwachung, beispielsweise zum Schutz von Anwohnern in Gebieten mit Entsorgungs- oder Kläranlagen. Aber auch im privaten Alltag kann der Geruchssensor zum Beispiel für das frühzeitige Erkennen von Kabelbränden oder verdorbenen Lebensmitteln genutzt werden. Viele Hersteller haben sich außerdem das Ziel gesetzt, möglichst kostengünstige und kleine Messgeräte herzustellen, die möglicherweise bald Bestandteil neuer Smartphone-Modelle sein könnten.

Grenzen der Geruch-Messgeräte

Forscher arbeiten bereits seit einiger Zeit an der stetigen Verbesserung der Geruchssensoren. Denn obwohl es bereits möglich ist, ein breites Spektrum von Düften messbar zu machen, ist Geruch nicht immer gleich Geruch. So können auch Umweltbedingungen wie zum Beispiel das Wetter oder die Tageszeit bewirken, dass ein Duft variiert. Diese feinen Unterscheidungen sind für die menschliche Nase kein Problem, elektronische Exemplare sind allerdings noch nicht sensitiv (empfindlich) genug, um sie zu erkennen.

Ein weiteres Problem sehen Forscher in der Kalibrierung (Vereinheitlichung der Messung). Denn die elektronische Nase muss zunächst „lernen“, welche Molekülkonstellation welchen Geruch darstellt. Hierzu benötigt man Vergleichswerte, die im Rahmen des sogenannten olfaktometrischen Messsystems gewonnen werden.

Gut zu wissen:

Bei einer olfaktometrischen Messung werden die Sinneswahrnehmungen von Prüfpersonen beim Riechen festgehalten und aus den gesammelten Daten ein Durchschnittswert ermittelt. Dabei wird die Konzentration eines Geruchsstoffes in der Luft immer weiter verdünnt, bis die Testpersonen den Duft nicht mehr wahrnehmen.

Im Gegensatz zum Sehen, bei dem die Werte durch verschiedene Verfahren eindeutig bestimmt werden können, liefert die Messung des Riechens relativ unsichere Werte. So kann es durchaus vorkommen, dass die Ergebnisse unterschiedlicher Labore stark voneinander abweichen. Der Referenzwert für die Einstellung der elektronischen Nasen ist daher ebenfalls ungenau und verhindert eine perfekte, objektive Zuordnung der zu erlernenden Gerüche.

Lisa Küffner
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Medizinredakteurin und Medienwissenschaftlerin