Entwicklung der Laser-induzierten Plasma-Spektroskopie für die Messung multipler Parameter in rußenden Flammen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Johannes Kiefer
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299488043

Ziel des Projektes ist es, die Laser-induzierte Plasma Spektroskopie (LIBS) als diagnostisches Werkzeug für die Messung multipler Parameter (einschl. der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur) in rußenden Flammen nutzbar zu machen. Ein wichtiges Problem beim Einsatz von LIBS in Aerosolen und damit auch in rußenden Flammen stellen Störsignale dar. Die Anwesenheit von Nanopartikeln und Partikelaggregaten führt zu starken elastischen Streulichtsignalen durch Mie- und Rayleighstreuung. Findet zudem eine Absorption der Laserstrahlung durch die Partikel statt, können diese stark aufgeheizt werden und emittieren daraufhin ein laserinduziertes Glühen (laser-induzierte Inkandeszenz, LII). Zudem können Fluoreszenz-Signale von natürlich vorkommenden Verbrennungszwischenprodukten sowie von lasergenerierten Spezies auftreten. Um die LIBS-Messtechnik für die Untersuchung rußender Flammen anwendbar zu machen, muss daher eine Strategie entwickelt werden, um die LIBS-Signale von den Störsignalen unterscheidbar und nutzbar zu machen. Dazu müssen verschiedene Ansätze, z.B. experimentelle Methoden sowie geeignete Signalauswertemethoden, untersucht und ggf. kombiniert werden. Dabei sollen zwei grundsätzliche Ansätze, nämlich die Aufnahme zeitintegrierter sowie zeitaufgelöster Signale, untersucht werden. Eine weitere Herausforderung ist die Tatsache, dass in Gegenwart von Partikeln die Schwelle für laser-induzierte Plasmabildung, d.h. die minimal benötigte Pulsenergie, die zum Durchbruch führt, im Vergleich zu einer reinen Gasphase signifikant reduziert ist. Um die LIBS-Messtechnik reproduzierbar in rußenden Flammen einsetzen zu können, muss daher der Einfluss der Partikel verstanden und quantitativ vorhersagbar sein. Im Rahmen des Projektes soll deshalb ein grundlegendes Verständnis für alle potentiell auf-tretenden messtechnisch relevanten Prozesse entwickelt werden. Desweiteren sollen die einzelnen Phänomene physikalisch und mathematisch modelliert und damit eine Methodik zur Vorhersage der Effekte erarbeitet werden. Dies wird schließlich die Grundlage für die Nutzung der LIBS-Technik in rußenden Flammen darstellen. Dazu werden sowohl ein experimentelles messtechnisches Konzept sowie eine Strategie zur Signalauswertung entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen