Besser schwerelos: Warum IPHT-Wissenschaftler einen Hochleistungslaser fallen lassen

13.12.2007

Es klingt verrückt: Die Wissenschaftler des Institutes für Photonische Technologien (IPHT) lassen den einzigen Prototypen ihres hochkomplexen, 400 kg schweren Lasersystems ADL aus 120 Metern Höhe fallen. Doch die ungewöhnlichen Experimente dienen einem guten Zweck: Sie liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung schadstoffärmerer Motoren und besserer Kraftstoffe.

Die Physiker um Dr. Wolfgang Paa können in den nur viereinhalb Sekunden freien Falls mit ihrem Speziallaser Messungen machen, die unter keinen anderen Bedingungen möglich sind. Ziel dieser jetzt erstmals im europaweit einmaligen Fallturm des Bremer Zentrums für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) geglückten Experimente ist es, mehr über Zünd- und Verbrennungsvorgänge zu erfahren, wie sie in Motoren oder Gasturbinen ablaufen. "Die Schwerelosigkeit bietet uns dafür entscheidende Vorteile", erläutert Paa. "Flammen im freien Fall haben eine vereinfachte Chemie durch weniger Stofftransport sowie eine einfachere geometrische Form als unter normalen Bedingungen, das erleichtert uns die Messungen und die Bewertung der Ergebnisse stark".

Herzstück des Systems ist ein am IPHT Jena weiterentwickelter spezieller Scheibenlaser (englisch "Advanced Disk Laser", ADL). Je nach Anforderung kann die Wellenlänge des von ihm ausgesendeten Laserlichtes exakt eingestellt werden. Dadurch kann man viele verschiedene chemische Substanzen untersuchen, die während einer Verbrennung als Zwischenprodukte entstehen und schließlich in die gasförmigen oder festen Endprodukte umgewandelt werden. Ein solches Lasersystem ist an sich schon eine technische Meisterleistung. Doch die besondere Herausforderung an die Wissenschaftler des IPHT bestand darin, den ADL für den Einsatz in der Schwerelosigkeit tauglich zu machen.

"Unser ursprüngliches System nahm im Labor drei Quadratmeter ein und arbeitete nur auf speziellen schwingungsgedämpften Tischen - so etwas kann und will man natürlich nicht fallenlassen", berichtet Wolfgang Paa. Gemeinsam mit Kollegen vom Institut für Strahlenwerkzeuge der Universität Stuttgart und dem ZARM in Bremen arbeiteten die Mitarbeiter der Abteilung Laserdiagnostik am IPHT finanziell unterstützt von der Deutschen Raumfahrt-Agentur DLR deshalb drei Jahre lang darauf hin, den Laser fit für den Fallturm zu machen.

Die Forscher mussten das System so verkleinern, dass alle Bauelemente auf drei Ebenen mit einem Durchmesser von jeweils 70 Zentimetern angeordnet werden konnten. "Neben der geringen Größe mussten wir auch ein geringes Gewicht und einen minimalen Energieverbrauch gewährleisten, damit das Gerät im Fallen mit Batterien arbeiten kann", erläutert Paa, "und bei alledem musste eine größtmögliche Schockfestigkeit erreicht werden." Anfang 2005 erfolgte dann der erste Abwurf des Lasersystems. Dabei erfuhr der Laser fast völlige Schwerelosigkeit, die Gravitation im Fallturm beträgt nur wenige Millionstel der normalen Erdanziehungskraft. Der ADL überstand den Fall aus 120 Metern und die Belastung mit dem 35fachen des Eigengewichtes gut und landete mit der hohen Endgeschwindigkeit von 167 km/h sicher in einem acht Meter hohen Behälter mit stecknadelkopfgroßen Styroporkugeln. "Es war schon ein großer Erfolg, dass die Funktionen unseres Lasersystems vom Übergang zur Schwerelosigkeit und der Abbremsung unbeeinflusst blieben", erinnert sich Physiker Paa, "doch bis zu den ersten erfolgreichen Experimenten an Flammen vergingen noch einmal gut zweieinhalb Jahre."

Der für die Fallturmexperimente entwickelte ADL soll sich nun auch in anderen Zusammenhängen bewähren: Er bietet ganz neue Möglichkeiten für die Untersuchung von Verbrennungsprozessen innerhalb von Motoren oder die Prozessoptimierung in Gasturbinenbrennkammern. Denkbar ist auch, dass das System im Weltall zum Einsatz kommt, zum Beispiel in der Internationalen Raumstation ISS.

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