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Laserspektroskopie an Flammen

Welche Farbe haben Flammen? Gelb natürlich, jedenfalls wenn man an Kerzenflammen, Lager- oder Kaminfeuer denkt! Die Bunsenbrennerflamme zum Beispiel leuchtet jedoch eher blau, und Farben zwischen tiefem Blauviolett und sattem Grün lassen sich an Laborflammen beobachten, bei denen Kohlenwasserstoffe mit Luft verbrannt werden. Diese Blau- oder Grünfärbung verrät, dass in der Flamme sehr reaktive Molekülbruchstücke gebildet werden, so genannte Radikale, die für die chemische Umsetzung des Brennstoffs sorgen, bis nach vielen Reaktionsschritten endlich als hauptsächliche Produkte Wasser und Kohlendioxid entstehen. Blauviolett leuchtet das CH-Radikal in der heißen Flamme, und grün das C₂-Radikal.

Durch dieses gut zu beobachtende Licht - die Flammenemission - erfährt man also etwas über die chemischen Reaktionen in der Flamme, leider jedoch nur, wenn die Radikale im passenden Wellenlängenbereich "von allein" leuchten. Dies können sie nur, wenn sie mit so viel chemischer Energie gebildet werden, dass elektronisch angeregte Zustände erzeugt werden. Bei anderen Radikalen oder Zwischenprodukten in der Flamme, deren Vorhandensein wichtige Hinweise auf bestimmte chemische Reaktionswege geben kann, muss man nachhelfen, zum Beispiel mit Anregung durch Laserlicht. Jedes Molekül hat ein spezifisches Absorptionsspektrum, das man mit Laserlicht passgenau treffen kann, und etliche Zwischenprodukte bei der Verbrennung lassen sich mit laserspektroskopischen Methoden nachweisen. Interessant ist dies vor allem im Zusammenhang mit der Entstehung (und Vermeidung!) von Schadstoffen oder mit der wirtschaftlichen Nutzung des eingesetzten Kraftstoffes. In unserer Arbeitsgruppe benutzen wir mehrere Lasermethoden zur genauen Untersuchung von Verbrennungsprozessen, die jeweils ihre besonderen Einsatzbereiche haben:

laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (LIF) zum Nachweis und zur Bestimmung der oft sehr geringen Konzentrationen kleiner Moleküle und Radikale wie NO, OH, oder CH,
Ramanspektroskopie zur Bestimmung der Konzentrationen von Hauptbestandteilen wie Brennstoff, Sauerstoff, Stickstoff (aus der Luft), Kohlendioxid oder Wasser in turbulenten Flammen,
Cavity Ring-down Spektroskopie (CRDS), ein besonders empfindliches Absorptionsverfahren, zur Messung von Konzentrationen kleiner Moleküle wie HCO, CH₂ oder CH₃, die nur in Spuren in Flammen vorkommen und mit LIF nicht oder nur schwer nachweisbar sind,

sowie einige weitere Techniken.

Auch als - nicht ganz billige! - Thermometer benutzen wir Laser: bei Flammentemperaturen bis zu 2500 Grad und mehr helfen keine konventionellen Thermometer und Thermoelemente! Temperaturmessung mit Licht, also mit laserspektroskopischen Methoden, funktioniert dagegen berührungsfrei und ohne die Flamme zu stören.

Damit ist einer der wichtigsten Vorteile laserspektroskopischer Flammendiagnostik bereits genannt: berührungsfreies Messen

durch kleine Fenster, die auch in einen seriennahen Forschungsmotor eingebaut werden können,
aus weiter Entfernung, wie z.B. aus dem Nebenraum an einem Triebwerksprüfstand,
rückwirkungsfrei, also ohne das Messobjekt selbst durch Einbringen eines Analyseninstruments zu verändern.

Ferner kann man wie bei einer "normalen" Fotografie zweidimensionale Bilder aus der Flamme erzeugen oder ultrakurze Laserpulse im Nanosekunden- oder Pikosekundenbereich benutzen, um Momentbilder aus der Flamme zu erhalten.

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Detailliertere Informationen über unsere Arbeiten zu diesem Thema erhalten Sie hier

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