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Forscher untersuchen erfolgreich Selbstzündung einzelner Brennstofftropfen

Verbrennungsforschern ist es nun gelungen, die Selbstzündung einzelner Brennstofftropfen mithilfe von Laserdiagnostik zu untersuchen. Aus der Detailschärfe der neu gewonnen Informationen, die die Wissenschaftler so vorab nicht erwartet haben, lassen sich nach Meinung der Forscher technische Strategien entwickeln, die die Entstehung von klimarelevanten Emissionen während des Verbrennungsprozesses drastisch reduzieren könnten. Die Wissenschaftler des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (Zarm) in Bremen feiern das erfolgreiche Ende ihrer ersten Versuchskampagne am Bremer Fallturm gemeinsam mit ihren Partnern des Instituts für Photonische Technologien aus Jena und dem Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart als "Meilenstein in der Verbrennungsforschung unter Schwerelosigkeit".

Mit dem Einsatz einer neuen Lasergeneration - zehn Jahre lang haben die Wissenschaftler an der Entwicklung des so genannten Scheibenlasers gearbeitet - liefern die Fallturmexperimente, so erklärt die Universität Bremen, detaillierte Antworten auf für die Forscher essenzielle Fragen: Wie verdampft der Tropfen? Wie, wann und wo kommt es in der Umgebung des Tropfens zu Vorreaktionen, bei denen sich Formaldehyd bildet? Wann und warum führen diese Vorreaktionen zur Entzündung einer sichtbaren Flamme? Diese Informationen werden benötigt, um in Zukunft Verbrennungsmaschinen derart auslegen zu können, dass die Selbstzündung erst dann erfolgt, wenn das Brennstoffspray sowohl vollständig verdampft als auch gleichmäßig mit der in einem Brennraum vorhandenen Luft durchmischt ist. Das ist eine große technische Herausforderung, aber die Voraussetzung für eine Verbrennung mit den geringsten Emissionen gesundheitsschädlicher und klimarelevanter Stickoxide wie Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid und Lachgas. Letzteres ist der Stoff, der den größten Anteil aller Verbrennungsprodukte zum Treibhauseffekt liefert. Zwar ist sein Mengenanteil im Vergleich zu Kohlendioxid sehr klein, sein Treibhauspotenzial aber rund 20 Mal höher als das von CO2.

Christian Eigenbrod, Leiter des Forschungsbereiches Verbrennungstechnik des Zarm erklärt: "Jetzt können wir viel besser als bisher die Prozesse, die während der Zündung eines Tropfens in heißer Umgebung ablaufen, erkennen und beschreiben. Diese Informationen sind überaus hilfreich, um die Zündung von Brennstoffsprays verstehen zu können. Hiervon wird die Entwicklung besonders schadstoffarmer Verbrennungsprozesse in Motoren, Kraftwerks- und Flugzeug-Gasturbinen schon in naher Zukunft erheblich profitieren". Weiter führt er aus, dass CO2 mit rund 80 Prozent den mit Abstand größten Teil der schädlichen Verbrennungsgase ausmache. "Aber am Treibhauseffekt ist Lachgas, das bei ungenügend vorgemischter Verbrennung entsteht, zu annähernd 90 Prozent verantwortlich. Im Gegensatz zu CO2 ist die Bildung von Lachgas aber relativ leicht zu vermeiden. Wir brauchen diese Experimentergebnisse daher dringend, um eine verlässliche Modellierung der Sprayzündung durchführen zu können und daraus technische Strategien entwickeln zu können", so Christian Eigenbrod über die Bedeutung der Ergebnisse der ersten erfolgreichen Versuche.

In der Vergangenheit wurde versucht, diese Ergebnisse mittels tonnenschwerer Laser zu erzielen, deren Licht von außen in die fallende Versuchskapsel eingespiegelt wurde. Diesen Laserstrahl auf ein winziges Objekt, wie einen Tropfen, zu richten, der sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 170 km/h und bis einer Entfernung von 120 Meter vom Laser weg bewegt, war nur bedingt gelungen. Nach annähernd zehn Jahren Entwicklungszeit konnte der mit Mitteln des Bundes, vergeben durch die Raumfahrtagentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), entwickelte Scheibenlaser nun erstmalig im Fallversuch angewendet werden. Es ist gelungen, den Laser soweit zu verkleinern, dass er in die Fallkapsel passt und mit dem Experiment in die Tiefe stürzt. Dabei ist die Qualität des Laserlichtes auch noch um ein Vielfaches verbessert und die Detailschärfe der Informationen wesentlich vergrößert worden.

Trotz der reduzierten Größe des Lasers war die Konstruktion einer Spezialkapsel erforderlich: mit mehr als vier Metern Länge und rund 650 Kilogramm Gewicht ist sie die bisher größte und schwerste Fallkapsel, die je im Fallturm Bremen gefallen ist. Die Fallturm-Betriebsgesellschaft musste sogar ihre Abbremsvorrichtung umkonstruieren, um am Ende des Versuches auch die fast anderthalbmal größere kinetische Energie der fallenden Kapsel sicher kompensieren zu können. Besonders erfreulich und nicht unbedingt erwartet ist auch die Tatsache, dass der Laser nach der Landung in dem mit kleinen Styroporkügelchen gefüllten Auffangbehälter keinerlei Nachjustierung bedurfte. Das äußerst komplizierte optische System übersteht die Abbremsung mit mehr als dem 40-fachen der Erdbeschleunigung ohne jede Beschädigung. Jetzt hoffen die Forscher bereits auf den nächsten Schritt: die Weiterentwicklung dieses Diagnose-Systems für die Anwendung auf der Internationalen Raumstation.
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