Neues laserbasiertes Instrument zur Förderung der Wasserstoffforschung

Forscher haben ein Analyseinstrument entwickelt, das einen ultraschnellen Laser für präzise Temperatur- und Konzentrationsmessungen von Wasserstoff verwendet. Ihr neuer Ansatz könnte dazu beitragen, die Erforschung umweltfreundlicherer wasserstoffbasierter Kraftstoffe für den Einsatz in Raumfahrzeugen und Flugzeugen voranzutreiben.

„Dieses Instrument wird leistungsstarke Möglichkeiten bieten, um dynamische Prozesse wie Diffusion, Mischung, Energieübertragung und chemische Reaktionen zu untersuchen“, sagte Alexis Bohlin, Leiter des Forschungsteams von der Technischen Universität Luleå in Schweden. „Das Verständnis dieser Prozesse ist grundlegend für die Entwicklung umweltfreundlicherer Antriebsmotoren.“

Im Optik Express, Bohlin und Kollegen von der Technischen Universität Delft und der Vrije Universiteit Amsterdam, beide in den Niederlanden, beschreiben ihr neues kohärentes Raman-Spektroskopie-Instrument zur Untersuchung von Wasserstoff. Möglich wurde dies durch einen Aufbau, der breitbandiges Licht eines Lasers mit kurzen (Femtosekunden-)Pulsen in extrem kurze Superkontinuum-Pulse umwandelt, die einen großen Wellenlängenbereich enthalten.

Die Forscher demonstrierten, dass diese Superkontinuum-Erzeugung hinter der gleichen Art von dickem optischem Fenster durchgeführt werden kann, das in Hochdruckkammern zu finden ist, die zur Untersuchung eines auf Wasserstoff basierenden Motors verwendet werden. Dies ist wichtig, da andere Methoden zur Erzeugung einer Ultrabreitbandanregung nicht funktionieren, wenn diese Arten von optischen Fenstern vorhanden sind.

„Wasserstoffreicher Kraftstoff könnte, wenn er aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt wird, einen enormen Einfluss auf die Reduzierung von Emissionen haben und einen erheblichen Beitrag zur Linderung des anthropogenen Klimawandels leisten“, sagte Bohlin. „Mit unserer neuen Methode könnten diese Treibstoffe unter Bedingungen untersucht werden, die denen in Raketen- und Luft- und Raumfahrttriebwerken sehr ähnlich sind.“

Licht rein bekommen

Es besteht großes Interesse an der Entwicklung von Luft- und Raumfahrtmotoren, die mit erneuerbaren, wasserstoffreichen Kraftstoffen betrieben werden. Zusätzlich zu ihrer Attraktivität für Nachhaltigkeit haben diese Kraftstoffe einen der höchsten erreichbaren spezifischen Impulse – ein Maß dafür, wie effizient die chemische Reaktion in einem Triebwerk Schub erzeugt. Es war jedoch eine große Herausforderung, wasserstoffbasierte chemische Antriebssysteme zuverlässig zu machen. Dies liegt daran, dass die erhöhte Reaktivität von wasserstoffreichen Kraftstoffen die Verbrennungseigenschaften des Kraftstoffgemisches wesentlich verändert, was die Flammentemperatur erhöht und die Zündverzögerungszeiten verkürzt. Außerdem ist die Verbrennung in Raketentriebwerken aufgrund der extrem hohen Drücke und hohen Temperaturen, die bei Reisen in den Weltraum auftreten, im Allgemeinen sehr schwierig zu kontrollieren.

„Die Weiterentwicklung der Technologie für nachhaltige Start- und Luft- und Raumfahrtantriebssysteme beruht auf einem kohärenten Zusammenspiel zwischen Experimenten und Modellierung“, sagte Bohlin. „Allerdings bestehen noch einige Herausforderungen hinsichtlich der Erstellung zuverlässiger quantitativer Daten zur Validierung der Modelle.“

Eine der Hürden besteht darin, dass die Experimente normalerweise in einem geschlossenen Raum mit begrenzter Übertragung optischer Signale durch optische Fenster nach innen und außen durchgeführt werden. Dieses Fenster kann dazu führen, dass die für die kohärente Raman-Spektroskopie benötigten Superkontinuum-Pulse gestreckt werden, wenn sie durch das Glas gehen. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher eine Methode, um einen gepulsten Femtosekundenlaser durch ein dickes optisches Fenster zu übertragen, und verwendeten dann einen Prozess namens laserinduzierte Filamentation, um ihn in Superkontinuum-Impulse umzuwandeln, die auf der anderen Seite kohärent bleiben.

Studieren einer Wasserstoffflamme

Um das neue Instrument zu demonstrieren, haben die Forscher einen Femtosekunden-Laserstrahl mit idealen Eigenschaften für die Superkontinuum-Erzeugung aufgebaut. Anschließend führten sie damit eine kohärente Raman-Spektroskopie durch, indem sie Wasserstoffmoleküle anregten und ihre Rotationsübergänge maßen. Sie konnten robuste Messungen von Wasserstoffgas über einen weiten Temperatur- und Konzentrationsbereich demonstrieren und auch eine Wasserstoff/Luft-Diffusionsflamme analysieren, ähnlich der, die bei der Verbrennung eines wasserstoffreichen Brennstoffs zu sehen wäre.

Mit ihrem Instrument führen die Forscher nun eine detaillierte Analyse in einer turbulenten Wasserstoffflamme durch, um neue Erkenntnisse über den Verbrennungsprozess zu gewinnen. Mit dem Ziel, die Methode für die Erforschung und Erprobung von Raketentriebwerken zu übernehmen, loten die Wissenschaftler die Grenzen der Technik aus und möchten sie mit Wasserstoffflammen in einem geschlossenen, leicht unter Druck stehenden Gehäuse testen.