Flüssig statt fest: Forscher haben einen Datenleiter entwickelt, der optische Signale wie eine Glasfaser überträgt – aber der Kern der Faser besteht aus einer Flüssigkeit statt aus Glas oder einem festen Polymer. Der Vorteil: Die Flüssigkern-Faser ist biegsamer und dehnbarer als die gängigen festen Leichtleiter. Sie könnte daher in der optischen Datenübertragung vielseitiger eingesetzt werden und sogar als Sensor dienen.
Wenn es um schnelle Datenübertragung über große Entfernungen geht, sind Glasfasern das Mittel der Wahl. Ihr hochbrechender Glaskern leitet optische Signale schnell und präzise. Allerdings ist das Glas spröde. Glasfaserkabel reagieren daher sehr empfindlich gegenüber zu starker Biegung oder Zugbelastung – sie brechen. Für kürzere Strecken werden daher oft Fasern mit einem Plexiglaskern verwendet. Dieser ist biegsamer als Glas, aber noch immer zugempfindlich.
Für beide Varianten gilt: „Sobald sich ein Mikroriss im Faserkern bildet, wird Licht daran gestreut und geht verloren“, erklärt Rudolf Hufenus von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa. „Die Datenübertragung wird zunächst schlechter, später kann der Faserkern an dieser geschwächten Stelle sogar ganz reißen.“
Hochbrechende Flüssigkeit als Kern
Um Abhilfe zu schaffen, haben Hufenus und seine Kollegen nun einen neuen Typ von Faserleitung entwickelt. Dabei übernimmt ein Kern aus flüssigem Glycerin die Rolle des Glases oder Plexiglases. Die Idee beruht auf einer gut 150 Jahre alten Beobachtung des Genfer Physikers Jean-Daniel Colladon. Dieser leitete 1842 erstmals Licht im Inneren eines Wasserstrahls entlang – und legte damit eine der physikalischen Grundlagen für die heutige Glasfasertechnik.
Für eine gute Lichtleitung muss der Kern der Faser einen deutlich größeren Brechungsindex besitzen als das Mantelmaterial. Nur dann wird das Licht an der Grenzfläche sauber gespiegelt und bleibt innerhalb des Kerns gefangen. „Zweikomponentenfasern mit festem Kern gibt es seit über 50 Jahren“, erklärt Hufenus. „Aber einen durchgehenden Flüssigkern zu fabrizieren, ist erheblich komplexer. Da muss schon alles genau zusammenpassen, damit das gelingt.“
Um zehn Prozent dehnbar
Um die Faser in einer Spezialmaschine herstellen zu können, muss das Material auch temperaturstabil sein. „Die beiden Komponenten der Faser müssen zusammen unter hohem Druck und bei 200 bis 300 Grad Celsius durch unsere Spinndüse laufen“, sagt der Empa-Forscher. Für ihre neue Flüssigkern-Faser entschied sich das Forschungsteam daher für das relativ hochbrechende flüssige Glycerin und eine Hülle aus einem festen Fluoropolymer.
In ersten Tests zeigte sich, dass diese Kombination optische Daten sicher und zuverlässig leitet. Gleichzeitig jedoch hält die Flüssigkern-Faser einer starken Biegung stand und lässt sich folgenlos um bis zu zehn Prozent dehnen. „In Sachen optisch leitender Polymerfasern haben wir schon alles Mögliche ausprobiert. Aber selbst mit den besten festen Faserkernen erreichen wir nie eine solche Elastizität wie mit unserer flüssig gefüllten Faser“, berichtet Hufenus.
Anwendungen auch als Sensor
Nach Ansicht der Forscher eröffnet die besondere Kombination optischer und mechanischer Eigenschaften der neuen Zweikomponentenfaser neue Anwendungsmöglichkeiten. „Wir erwarten, dass sich unsere flüssig gefüllten Fasern nicht nur für Signalübertragung und Sensorik, sondern auch für Kraftübertragung in der Mikromotorik und Mikrohydraulik einsetzen lassen“, sagt Hufenus. Denn die Faser ist nicht nur extrem dehnbar, sie kann auch messen, welcher Zugbelastung sie ausgesetzt wird und wie weit sie gedehnt wurde.
Dafür wird das Glycerin mit einer kleinen Menge fluoreszierenden Farbstoffs angereichert. Dies beeinträchtigt die Lichtleitung kaum, kann aber als Sensor dienen: Wird das Kabel gedehnt, verändert dies die Dichte der Farbmoleküle. Dadurch verändert sich die Lichtfarbe der durchgeleiteten Lichtsignale leicht und diese Veränderung verrät das Ausmaß der Dehnung.
Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
