Kerzenflammen und Flugzeugmotoren erzeugen winzige Rußpartikel aus polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die beide für Mensch und Umwelt schädlich sind. Diese kohlenstoffbasierten Partikel sind auch im Weltraum weit verbreitet und machen 10–12 % der interstellaren Materie aus. Sie werden für den Einsatz in elektronischen Geräten und nachhaltiger Energie immer wertvoller. Die Fingerabdrucksignale von Ruß und PAK haben in Flammen jedoch eine sehr kurze Lebensdauer – sie dauern nur wenige Milliardstel bis Millionstel Sekunden. Diese kurze Existenz erfordert sehr schnelle Kameras, um ihr Verhalten in Raum und Zeit zu erfassen.
Derzeit verfügbare Bildgebungssysteme können nur wenige Millionen Bilder pro Sekunde erfassen und erfordern häufig mehrere Laserimpulse, was zu unerwünschten Erwärmungsproblemen führt. Herkömmliche Methoden sind zudem begrenzt, da sie nur wiederholbare Ereignisse erfassen können, indem sie nacheinander mehrere Bilder aufnehmen, um ein vollständiges Filmbild zusammenzufügen. Aufgrund dieser Einschränkungen warten Forscher in der Verbrennungswissenschaft gespannt auf ein neues Werkzeug, um diese Herausforderungen zu überwinden.
In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und AnwendungenDr. Yogeshwar Nath Mishra, Dr. Peng Wang, Dr. Murthy S. Gudipati und Professor Lihong V. Wang vom California Institute of Technology stellen in Zusammenarbeit mit Dr. Florian J. Bauer von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen die Femtosekundenlaser-Schichtkompressions-Ultraschnellfotografie (fsLS-CUP) vor. Diese revolutionäre Technik ist die weltweit schnellste Einzelbildkamera und nimmt ganze Filme der Femtosekundenlaserflammendynamik mit beispiellosen 250 Milliarden Bildern pro Sekunde (Gfps) auf. Damit ist sie 20.000 Mal schneller als die bestehenden Bildgebungssysteme.
Unter Verwendung nur eines einzigen Femtosekunden-Laserpulses ermöglicht fsLS-CUP die gleichzeitige, weiträumige Echtzeit-Bildgebung der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) von PAKs und der laserinduzierten Erwärmung (LIH) von Rußpartikeln sowie der elastischen Lichtstreuung (ELS) durch Laser-Ruß-Wechselwirkungen.
Dr. Yogeshwar Nath Mishra erklärte: „Wissenschaftler haben ultraschnelle Laserpulse verwendet, um schnelle chemische Reaktionen und Laserinteraktionen mit Materialien in Echtzeit zu erfassen. Mithilfe eines Femtosekundenlasers und einer Streak-Kamera haben wir eine neue 2D-Bildgebungsmethode, fsLS-CUP, entwickelt, mit der einige extrem schnelle Phänomene in der Natur erfasst werden können.
Gleichzeitige 1,25 Gfps Echtzeitbildgebung sowohl der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) als auch der laserinduzierten Erwärmung (LIH) in einer Kerosinflamme. Bildnachweis: Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01588-x
„Letztendlich hat es nicht nur unser Verständnis der Bildung und des Wachstums von Kohlenwasserstoffen und Nanopartikeln in Flammen erweitert, sondern bietet auch Potenzial in vielen anderen Bereichen und ist damit ein bedeutender Meilenstein in der ultraschnellen Bildgebungstechnologie. Unsere Forschung, zu der auch die schnellste Beobachtung von PAKs gehört, ergänzt die Mission der NASA, die Ursprünge des Lebens und die kosmische Evolution zu erforschen. Über die Verbrennungsforschung hinaus findet diese Technik breite Anwendung in Physik, Chemie, Biologie, Medizin, Energie und Umweltwissenschaften.“
Dr. Peng Wang betonte, dass ihre Arbeit einen bedeutenden Fortschritt in der ultraschnellen Bildgebung und Wissenschaft darstellt und das Potenzial hat, schnelle Phänomene zu entschlüsseln, die für Naturwissenschaft und Technologie von entscheidender Bedeutung sind. Das Team überschreitet weiterhin Grenzen der Bildgebungsleistung, einschließlich Geschwindigkeit, räumlicher Auflösung und Bildrekonstruktionstreue.
Sie haben erfolgreich Echtzeit-Bildgebung eingesetzt, um laserinduzierte Signale von Ruß und PAKs bei der Verbrennung zu beobachten. Wang glaubt, dass fortlaufende Innovation und Zusammenarbeit zu weiteren Entdeckungen und Erkenntnissen auf diesem Gebiet führen werden. Insgesamt eröffnet fsLS-CUP neue Möglichkeiten für die Untersuchung vorübergehender Phänomene in einer planaren Konfiguration.
Dr. Florian Bauer hob hervor, dass die fsLS-CUP-Technik Daten in einem einzigen Schuss mit nur einem Femtosekunden-Laserpuls erfasst und dabei komprimierte Sensorik nutzt. Die Methode bietet ein weites Sichtfeld und löst sowohl räumliche als auch zeitliche Details auf, wodurch sie für die Beobachtung verschiedener durch Femtosekundenlaser induzierter Signale in PAKs und Kohlenstoffnanopartikeln angepasst werden kann. Sie konnte erfolgreich wichtige Details wie die 2D-Verteilung der Fluoreszenzlebensdauern von PAK-Molekülen extrahieren. Die Technik bestätigte auch, dass Femtosekunden-Laserpulse in Rußpartikeln Weißglut auslösen können.
Dr. Murthy S. Gudipati, ein Experte für PAK-Astrochemie, erklärte: „PAK sind im interstellaren Raum robuste Moleküle. Das Verständnis der Entstehung von PAK und Ruß erweitert auch unser Wissen über ihre Existenz unter astrophysikalischen Bedingungen.“
„Unsere Studie ist für die Bildung von PAK in heißen Umgebungen relevant, wie etwa kohlenstoffreichen asymptotischen Riesenaststernen. Diese entwickelten Sterne haben heiße Atmosphären und starke Sternwinde, was ideale Bedingungen für die Bildung von PAK schafft. Darüber hinaus bieten die heißen, sich ausdehnenden Auswürfe von Supernova-Explosionen eine weitere Umgebung, in der sich PAK bei hohen Temperaturen möglicherweise bilden könnten.“
Weitere Informationen:
Yogeshwar Nath Mishra et al., Einzelpuls-ultraschnelle Echtzeit-Simultan-Planarbildgebung der Femtosekundenlaser-Nanopartikel-Dynamik in Flammen, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01588-x