Laser analysiert Brennstoffflamme

In einem Projekt der Technologiestiftung STW hat der Forscher Rogier Evertsen eine neue Methode eingeführt, um die Zusammensetzung von Flammen von Brennstoffen zu messen. Die Technik nutzt Laserlicht und ist nicht nur schnell, sondern auch äußerst empfindlich. Evertsen hat mit dieser Forschung am 12. November an der Katholischen Universität Nimwegen promoviert.

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdgas und Öl werden Verbrennungsgase frei. Das sind hauptsächlich Wasserdampf und Kohlendioxid. Während des Verbrennungsprozesses kommen jedoch in der Flamme allerlei teilweise verwandelte Brennstoffteilchen vor. In einer chemischen Notierung werden einige dieser Exoten mit OH, CH, HCO, CH2, NO und NO2 bezeichnet. Wo und in welcher Menge diese Stoffe in der Verbrennungskette vorkommen, ist jedoch nicht ganz klar. Um darüber mehr Klarheit zu bekommen, führte Rogier Evertsen Messungen in der Flamme verbrennenden Erdgases durch.

Die Messungen fanden mit einer Technik statt, die Laserlicht nutzt, das durch die Flamme gesteuert wird. Beidseitig der Flamme stehen Spiegel, sodass das Licht fast ununterbrochen durch die Flamme zurückstrahlt. Bei jedem Durchgang absorbieren die glühenden Verbrennungsprodukte ein bisschen Laserlicht. Dadurch nimmt die Klarheit des Lasers allmählich ab. Wenn eine hohe Konzentration eines absorbierenden Stoffs wie OH in der Flamme vorkommt, nimmt die Intensität des Laserlichts schnell ab. Wenn die Konzentration des Zwischenprodukts klein ist, wie bei CH und CH2, so wird weniger Laserlicht absorbiert werden. Das Maß und die Geschwindigkeit, mit der diese Absorption stattfindet, ist ein Maß für die Menge an Verbrennungsgas in der Flamme. Jeder Stoff ist empfindlich gegen eine bestimmte Wellenlänge (Farbe) des Laserlichts, sodass pro Stoff ein anderer Laser eingesetzt wird.

Der Forscher entdeckte mit dieser ’Cavity Ring-Down Spectroscopie’ HCO- und CH2-Konzentrationen bis zu 430 beziehungsweise 80 Teilchen pro Millionen anderer Teilchen in der Flamme. Die giftigen NO- und NO2-Gase, die schwer auf andere Art und Weise zu messen sind, wurden sogar bei Konzentrationen von 25 beziehungsweise 3 Teilchen pro Millionen detektiert. CH-Teilchen konnten festgestellt werden, wenn sich nur einige Teilchen CH zwischen einer Milliarde anderer Teilchen befanden.

Der STW-Forscher führte die Messungen bei niedrigem sowie normalem Luftdruck durch. Bei normalem Luftdruck ist der Bereich, in dem sich alle chemischen Reaktion abspielen, nicht viel dicker als einen Millimeter. Messungen bei niedrigem Druck sind viel praktischer, weil die Flammen dann viel größer sind. (Die Größe der Flamme steht im umgekehrten Verhältnis zur Abnahme des Drucks.) Um an die Wirklichkeit in einem Durchlauferhitzer oder Gasherd heranzukommen, wurden die Experimente bei normalem Druck durchgeführt.

Nähere Informationen bei Dr. Rogier Evertsen (KUN, Fachbereich Angewandte Physik), Tel. +31 (0)243430725, Fax +31 (0)24 3653311, Email: rogier.evertsen@sci.kun.nl. Die Promotion fand am 12. November statt, Doktorvater waren Prof. Dr. Hans ter Meulen (KUN) und Prof. Dr. Dipl.-Ing. Philip de Goey (TUE).