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IPHT Jena optimiert Flammendiagnose von Biokraftstoffen

Wissenschaftler des Instituts für Photonische Technologien Jena (IPHT) entwickeln unter der Leitung von Dr. Wolfgang Paa Methoden zur laserbasierten, kontaktfreien Diagnostik an Flammen. Ziel ist die Ermittlung von Bedingungen, unter denen Kraftstoffe aus unspezifischer Biomasse, wie landwirtschaftlichen Abfällen sowie Holz- oder Rasenschnitt, zünden. "Für die Hersteller ist es wichtig, genau zu wissen, bei welcher Temperatur und welchem Druck sich ein Kraftstoff entzündet und vor allem, wie viel Luft ihm beigemischt werden kann, ohne den Verbrennungsprozess negativ zu beeinflussen", erläutert Paa.

Dazu nehmen die Wissenschaftler Messungen an Tröpfchen vor, um Situation im Motor möglichst nahe zu kommen. In einem unter Druck stehenden Ofen wird an der Spitze eines Saphir-Stäbchens ein Kraftstofftropfen erwärmt und die verschiedenen Stadien des Zündvorgangs mit Hilfe der Laserinduzierten Fluoreszenz untersucht.

Zur Weiterentwicklung des benötigten Scheibenlasers laufen am IPHT intensive Forschungsarbeiten. Je nach Anforderung kann die Wellenlänge des von dem Laser ausgesendeten Laserlichtes exakt eingestellt werden. Dadurch können die verschiedenen chemischen Substanzen untersucht werden, die während einer Verbrennung als Zwischenprodukte entstehen und schließlich in gasförmige oder feste Endprodukte umgewandelt werden. "Die besondere Herausforderung besteht darin, dass wir mit dem Laser zwar einerseits einen großen Wellenlängenbereich abdecken müssen, aber andererseits die einzelnen Wellenlängen ganz genau einstellen müssen. Die sogenannte Bandbreite darf nur wenige Picometer betragen", betont der Teamleiter. Normalerweise ist dieser Wert etwa um den Faktor 1000 ungenauer. Die hohe Präzision ist notwendig, um jede nachzuweisende Komponente gezielt "ansprechen" zu können.

Einen Entwicklungsfortschritt hat beispielsweise Diplom-Physiker Christoph Knappe mit seiner in Paas Abteilung angefertigten Diplomarbeit "Untersuchungen zur Wellenlängendurchstimmung eines regenerativen Scheibenlaser-Verstärkers" erreicht. "Mit seiner Diplomarbeit hat Knappe den Wellenlängenabstimmbereich des Scheibenlaser-Verstärkers mehr als vervierfacht und damit die Einsatzmöglichkeiten des Lasers in der Verbrennungsforschung außerordentlich gesteigert", würdigt Paa Knappes Leistungen. Für diese Diplomarbeit erhielt der junge Physiker neben der Auszeichnung für die beste Diplomarbeit am IPHT auch den Preis für hervorragende anwendungsorientierte Promotions- und Diplomarbeiten der Stiftung für Technologie, Innovation und Forschung Thüringen (STIFT). Dieser wurde ihm im Rahmen der Innovationsmesse Anfang November in Erfurt verliehen.

Die Untersuchung der Biokraftstoffe erfolgt im Rahmen eines von der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt geförderten Projektes in Zusammenarbeit mit den Universitäten Bremen und Orleans, den Technischen Universitäten Darmstadt und München, der BTU Cottbus sowie den Firmen Shell, Roll- Royce, Alstorm, Renault, Volvo und AVL-List in Graz.
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