Laserdiagnostik zielt auf umweltfreundlichere Raketenstarts
Messung der Verbrennung in unübertroffenem Detail mit CARS-Laserspektroskopie
23. März 2023 von Coherent
Wir alle wissen, wie die Automobilindustrie die Kraftstoffeffizienz von Benzin- und Dieselfahrzeugen verbessert hat, um deren Umweltbelastung zu verringern. Und vielleicht haben Sie gelesen, dass Stromerzeuger die Abscheidung von Kohlendioxid und die Verbrennung von Wasserstoff als Möglichkeiten zur Senkung ihrer Treibhausgasemissionen (THG) in Betracht ziehen. Aber wussten Sie, dass die wachsende Raumfahrtindustrie auch an saubereren Raketentriebwerken mit verbesserter Antriebseffizienz und geringeren Schadstoffemissionen arbeitet?
Das Bewusstsein, dass dies wichtig ist, wächst aufgrund der zunehmenden Zahl von Weltraumstarts. Sowohl der öffentliche als auch der private Sektor sind bestrebt, eine große Anzahl von Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO) zu bringen. Der Hauptzweck dieser Satelliten-'Konstellationen' ist die Verbesserung und Erweiterung unserer Telekommunikationsinfrastruktur. Andere Gruppen planen Konstellationen, die verschiedene Arten von Bild- und Sensordaten sammeln, von der Wetterbeobachtung bis zur Überwachung des Verkehrs.
Die Ingenieure arbeiten an effizienteren Antriebssystemen, um die Auswirkungen der schnell wachsenden kommerziellen Raumfahrtindustrie auf die Atmosphäre zu minimieren.
Wenn Sie die Leistung eines Raketentriebwerks verbessern wollen, ist es natürlich sehr hilfreich, wenn Sie wissen, was in ihm vor sich geht. Der Kiruna Space Campus der Technischen Universität Luleå (Schweden) hat kürzlich Dr. Alexis Bohlin für diesen Zweck eingestellt, der auch mit dem Esrange Space Center zusammenarbeitet.
Bohlin ist ein anerkannter Marktführer bei der Überwachung einer Vielzahl von Verbrennungssystemen mithilfe der Laserdiagnostik, insbesondere mit einer etwas komplizierten Technik, der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS). Er sagt: „Die Laserdiagnostik hat den Vorteil, dass sie Größen in der reagierenden Strömung messen kann, ohne den Messbereich von Interesse zu stören, und dass die nützlichen Informationen mit einer hervorragenden räumlichen und zeitlichen Auflösung erfasst werden können. Meine Forschung konzentriert sich auf die Verwendung der CARS-Bildgebung, um die effektive Temperatur und die Konzentration verschiedener Chemikalien, einschließlich N2, O2, H2, CH4, C3H8, CO2, H2O und so weiter, mit größtmöglicher Präzision und Genauigkeit abzubilden.“
CARS nutzt Laserstrahlen zur Analyse von Verbrennungsquellen, von einfachen Wasserstoffflammen bis hin zu komplexen Raketentriebwerken. Bildnachweis Alexis Bohlin.
CARS ist eine bekannte Technik in wissenschaftlichen Labors, die Ultrafastlaser verwendet, um die chemischen Details eines Systems aus der Ferne zu untersuchen und abzubilden. Es wurde bereits eingesetzt, um alles zu untersuchen, von der Struktur von Molekülen bis hin zu 3D-Bildern von lebendem Gewebe. Aber die Herausforderung bei einem Raketentriebwerk ist, dass man es nicht in ein typisches Labor mitnehmen kann, dafür ist es etwas zu groß! Wissenschaftler wie Bohlin mussten also einen Weg finden, CARS zum Raketentriebwerk zu bringen. Das ist nicht trivial angesichts der Komplexität von CARS, das mehrere Ultrafastlaser-Komponenten verwendet – es braucht zwei oder sogar drei verschiedene Laserwellenlängen – und eine Menge Optiken, um alle Strahlen präzise zu konditionieren und auszurichten.
Wir kennen Dr. Bohlin recht gut, denn in seinem früheren Labor an der Technischen Universität Delft (Niederlande) haben Bohlin und seine Studenten einen CARS-Analyseaufbau gebaut, bei dem alle Strahlen auf einem einzigen industrietauglichen Ultrafastlaser basieren, nämlich unserem Astrella „One-Box“-Femtosekundenverstärker. Die hohe Pulsenergie dieses Verstärkers (mehrere Millijoule) ermöglichte es ihnen, die Leistung aufzuteilen und einen Teil der Femtosekundenleistung direkt als einen der Laserstrahlen zu verwenden. Der andere Teil der Pulsenergie wird verwendet, um einen konvertierbaren Puls von einer Pikosekunde Dauer mit einem Gerät namens Second Harmonic Bandwidth Compressor (SHBC) zu erzeugen. Mit dieser CARS-Maschine als Grundlage haben Bohlin und seine Kollegen erfolgreich eine Vielzahl verschiedener Studien über Verbrennungsflammen und Plasmen durchgeführt.
In den letzten Jahren hat Bohlin Innovationen und Verbesserungen an seinen CARS-Messverfahren vorgenommen. Vielleicht am wichtigsten ist die Stabilität und relative Einfachheit seines CARS-Systems im Vergleich zu traditionelleren Ansätzen. Er erklärt: „Wir wollten eine universell einsetzbare Methode, die wir bei Bedarf an den Verbrennungsort mitnehmen können, statt einer laborgebundenen Methode, die nur bei kleineren Motoren eingesetzt werden kann, die ins Labor gebracht werden können.“ Dieser Schwerpunkt führte dazu, dass er vor Kurzem an den Kiruna Space Campus der Technischen Universität Luleå berufen wurde, wo wir stolz darauf sind, dass die Astrella wieder als Herzstück seiner leistungsstarken Diagnoseeinrichtung fungiert.
Wenn es also um den Einsatz der CARS-Spektroskopie zur Untersuchung der Verbrennung geht, können wir sagen: „Es ist wirklich Raketenwissenschaft.“
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