Laserkamera filmt ultraschnelle Verbrennungsprozesse

Einblick in fundamentalen Prozess: Forscher haben erstmals die ultraschnellen und mikroskopisch kleinen Prozesse bei der Verbrennung sichtbar gemacht. Dies gelang mithilfe der schnellsten Single-Shot-Laserkamera der Welt. Sie kann ein zweidimensionales Bild des Geschehens mit nur einem Laserpuls einfangen und dabei 12,5 Milliarden Bilder pro Sekunde erstellen. Im Experiment enthüllte dies beispielsweise, wie Rußteilchen in einer Kerosinflamme entstehen.

Ob chemische Reaktionen oder die Bewegung von Licht durch ein Material: Viele chemische und physikalische Prozesse extrem hohe Tempo und in mikroskopischen Dimensionen ab – und sind für unsere Augen daher unsichtbar. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler jedoch lasergestützte Fotografie-Methoden entwickelt, die solche ultraschnellen Prozesse erstmals abbilden können.

Ein entscheidender Durchbruch ist dabei die Compressed Ultrafast Photography (CUP). CUP-Kameras nutzen ein System von Spiegeln und Strahlteilern, um aus zeitlich nacheinander eintreffenden Lichtsignalen ein räumliches Muster auf dem Bildsensor, der sogenannten Streak-Kamera, zu erzeugen. Ein Laserpuls genügt daher, um den Verlauf einer Reaktion oder eine schnelle Bewegung abzubilden. Mit verschiedenen Varianten dieser CUP-Technik haben Forscher bereits den Überschallkegel eines gestreuten Laserpulses und die Bewegung eines Lichtstrahls gefilmt.

Echtzeitblick in die Kohlenwasserstoff-Flamme

Jetzt hat ein Team um Yogeshwar Nath Mishra vom California Institute of Technology die CUP-Technik so verfeinert, dass sie damit die ultraschnellen Prozesse bei der Verbrennung von Kraftstoffen und anderen Kohlenwasserstoffen sichtbar machen können. „Die Kraftstoff-Verbrennung erzeugt nanometerkleine Rußpartikel, Verbrennungsgase und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, die für Umwelt und Gesundheit schädlich sind“, so Nath Mishra.

Doch über welche Reaktionsketten diese Verbrennungsprodukte genau entstehen und wie sie sich im Verlauf der Verbrennung entwickeln, ist bisher erst in Teilen bekannt. „Bisherige Studien waren auf Punktmessungen oder mikroskopische kleine Ausschnitte der Flamme beschränkt, ein detaillierter zweidimensionaler Einblick in den nötigen Zeitskalen fehlte jedoch bisher“, erklären die Forscher. Weil der für die Abbildung nötige Laserpuls zudem die Flammenbedingungen ändert, müssen alle Informationen dabei schon mit dem ersten „Schuss“ akquiriert werden.

Vier optische Signaturen auf einmal

Mishra und sein Team haben dafür nun zwei Methoden der lasergestützten Fotografie miteinander kombiniert, die CUP-Technik und das zweidimensionale Laser Sheet Imaging (LS). Bei der LS-CUP-Fotografie wird ein Laserpuls im Infrarotbereich genutzt, um die chemischen Prozesse in einer Flamme über vier Methoden gleichzeitig sichtbar zu machen. Ein infraroter Laserpuls bestrahlt dafür die Kohlenwasserstoffflamme und erzeugt dabei vier optische Signale, die von einer ultraschnellen Streak-Kamera und einer komplexen Apparatur aus Strahlteilern, Sensoren und Spiegeln eingefangen werden.

Das Ergebnis ist eine Aufnahme, die für verschiedene Ebenen der Flamme zeigt, welche Moleküle in welchem Zustand vorhanden sind. Weil die Kamera zudem 12,5 Milliarden Bilder pro Sekunde erstellt, ist auch die zeitliche Entwicklung des Verbrennungsprozesses quasi in Echtzeit beobachtbar. Eine Kombination aus vier verschiedenen Analysemethoden, darunter die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Inkandeszenz (LLI) und die Streuung des Laserpulses durch die Moleküle, liefert dabei nähere Informationen über das Geschehen.

Rußbildung mit 12,5 Milliarden Bildern pro Sekunde

Im Experiment gelang es den Forschern mit ihrer LS-CUP-Kamera, die Rußbildung in einer Kerosinflamme erstmals im Detail und zeitlich hochaufgelöst zu filmen. Sie konnten beobachten, wie sich in der Flamme große polyzyklische Kohlenwasserstoffmoleküle zusammenlagerten und so zu Vorläufermolekülen des Rußes wurden. Dann wuchsen diese Rußpartikel im oberen Teil der Flamme heran. Auch die Temperatur der verschiedenen Teilchen konnten die Wissenschaftler über die freigesetzte Strahlung quasi in Echtzeit mitverfolgen.

Nach Ansicht der Forscher eröffnet die LKS-CUP-Methode damit neue Möglichkeiten, die ultraschnellen und kurzlebigen Prozesse bei der Verbrennung zu erforschen – und damit auch die Entstehung von Schadstoffen wie Ruß oder PAHs. „Die beispiellose Fähigkeit von LS-CUP, in Echtzeit ultraschnelle Weitwinkelaufnahmen der Temperatur zu erstellen, könnte zudem dazu beitragen, einige Geheimnisse der modernen Physik wie beispielsweise die Vorgänge in heißem Plasma zu entschlüsseln“, schreiben Mishra und seine Kollegen. (Light: Science & Applications, 202; doi: 10.1038/s41377-023-01095-5)

Quelle: Schwedischer Forschungsrat – The Swedish Research Council