Weißbuch

Verbrennungsanalyse mit CARS – das ist wirklich Raketenwissenschaft

Überblick

Auf jeden Fall erlebt die Raumfahrtindustrie derzeit einen rasanten Aufschwung. Mit der steigenden Zahl der Starts wächst das Bewusstsein, dass alle diese Raketentriebwerke so sauber wie möglich verbrennen müssen, um die negativen Auswirkungen auf die Atmosphäre auf ein Minimum zu reduzieren. Dr. Alexis Bohlin ist ein renommierter Forscher, der verschiedene Coherent-CARS-Verfahren (Coherent Anti-Stokes Raman-Scattering) – alle unter EinsatzAstrella – zur Analyse verschiedener Verbrennungssysteme einsetzt. Dank seiner fundierten Fachkenntnisse und einzigartigen Einblicke wird er in Kürze mit der Entwicklung saubererer Raketenantriebeam Weltraumcampus Kiruna der Technischen Hochschule Luleå in Schwedenbetraut werden. Bohlin wurde kürzlich an diesem Campus zum Senior Researcher ernannt und erhält die Gelegenheit, eng mit den modernen Einrichtungen der Raketenindustrie am Esrange Space Center zusammenzuarbeiten.

Abbildung 1:Ingenieure arbeiten an effizienteren Antriebssystemen, um die Auswirkungen der rasant wachsenden kommerziellen Raumfahrtindustrie auf die Atmosphäre so gering wie möglich zu halten.

CARS – Messung der Artenvielfalt und der Temperatur

Dr. Bohlin erklärt, dass sein Forschungsschwerpunkt auf der VerbrennungsanalyseCoherent (CARS) liegt: „Von Kraftfahrzeugen über Schmelzöfen bis hin zu Raketentriebwerken – Verbrennungsingenieure sind bestrebt, die Systemeffizienz zu steigern und den Ausstoß schädlicher Stoffe zu reduzieren. Jede Verbrennungsquelle ist ein komplexer chemischer Reaktor, und die erfolgreiche Steuerung der Verbrennungsbedingungen hängt in erster Linie davon ab, ob man so viele Details wie möglich darüber in Erfahrung bringen kann. Laserdiagnosetechniken eignen sich hervorragend zur Quantifizierung von Skalaren im Reaktionsstrom, ohne den Messbereich zu stören, der für die Forscher von Interesse ist, und liefern dank ihrer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung zudem mehr nützliche Informationen. Meine Forschung konzentriert sich auf die Verwendung der CARS-Technik zur Messung der effektiven Temperatur und Konzentration verschiedener Moleküle mit höchstmöglicher Präzision und Genauigkeit, darunter_N2,_O2,_H2,_CH4,_C3H8,_CO2,_H2Ound andere.“

„Jede Verbrennungsquelle ist ein komplexer chemischer Reaktor, und die erfolgreiche Steuerung der Verbrennungsbedingungen hängt in erster Linie davon ab, ob man so viele Details wie möglich darüber versteht.“

- Dr. Alexis Bohlin – Leitender Forscher am Labor für Raumfahrtantriebe der Luleå University of Technology in Kiruna, Schweden

Das Grundprinzip von CARS ist in Abbildung 2 dargestellt. Beim CARS-Verfahren werden üblicherweise zwei Laserpulse mit unterschiedlichen Mittenfrequenzenals Pump- und Stokes-Licht eingesetzt, um die Molekülbindungen der Probe in Resonanz anzuregen. Wenn die Frequenzdifferenz der beiden Laserpulse mit der Schwingungsfrequenz der Eigenmoden der zu untersuchenden Probe übereinstimmt, werden die Eigenmoden der Moleküle resonant verstärkt und erzeugen unter Einwirkung des Detektionslichts ein Anti-Stokes-Signal.Der CARS-Prozessgehört zu den nichtlinearen Effekten dritter Ordnung; bei der Wechselwirkung zwischen drei starken Laserfeldern und dem streuenden Medium entstehen neue Frequenzkomponenten. Das durch den CARS-Prozess erzeugte stimulierte Resonanzsignal ist stärker als das spontane Raman-Streusignal; die Signalstärke hängt von der Probenkonzentration und der Anzahl der Teilchen auf dem Energieniveau ab. Mit CARS lässt sich die Konzentration jeder chemischen Komponente in einer Gasprobe bestimmen, während die Form des Anti-Stokes-Spektrums durch Rotations- oder Schwingungs-Rotations-Übergänge die lokale Boltzmann-Temperatur angibt.

Abb. 2: Die Anregungseffizienz von Energieniveausprüngen im CARS-Prozess hängt von der Breite bzw. Bandbreite des Femtosekunden-Laserimpulses ab. Je kürzer die Impulsbreite, desto mehr Moleküle springen in höhere Schwingungs- und Rotationszustände über. Bild: Alexis Bohlin.

Aufbau eines CARS-Systems mit einem einzigen ultraschnellen Verstärker

Durch den Einsatz ultrakurzer Laserpulse lassen sich CARS-Spektreninformationen für mehrere Schwingungsmoden gleichzeitig erfassen. Bohlin erklärt: „Wenn Femtosekunden-Laserpulse mit einer bestimmten spektralen Breite als Pump- und Stokes-Licht eingesetzt werden, um verschiedene Frequenzunterschiede zu erzeugen, können mehrere Schwingungsmoden in den Molekülen der Probe gleichzeitig angeregt werden, wodurch CARS-Spektreninformationen für mehrere Schwingungsmoden gewonnen werden. Für die meisten zwei- und dreiatomigen Moleküle ist die Anregungseffizienz bei kurzen Impulsen unter 50 fs sehr hoch, sodass mehr Moleküle in höhere Energiezustände angeregt werden können. Wenn gleichzeitig ein abstimmbarer Pikosekunden-Laserimpuls als Detektionslicht mit den Molekülen im höheren Energiezustand in Wechselwirkung tritt, lassen sich aufgrund der schmalen Bandbreite des Pikosekunden-Impulses hochauflösende Spektralinformationen für verschiedene Zielmoleküle gewinnen. Wenn diese beiden Impulse von derselben Laserquelle erzeugt werden können, sind sie am Messort präzise synchronisiert, was das System erheblich vereinfacht. Zudem lassen sich Schwankungen der Signalintensität, die durch Energiejitter der Laserimpulse verursacht werden, reduzieren, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert.“

In einem Labor der Technischen Universität Delft in den NiederlandenhabenBohlin und seine Studenten ein CARS-Spektroskopiesystemauf Basis AstrellaCoherent mit einer Pulsdauer von 35 fs Astrella. Da dieser Verstärker über eine hohe Pulsenergie (im Bereich von mehreren Millijoule) verfügt, können die Laserpulse aufgeteilt werden, wobei ein Teil direkt als breitbandiger Pump-/Stokes-Puls genutzt wird. Ein weiterer Teil der Ausgangsimpulse wird direkt in einen Bandbreitenkompressor für die zweite Harmonische (SHBC) geleitet, der abstimmbare Pikosekunden-Laserimpulse erzeugt. Mit einem selbstgebauten Impulsformer wird die Impulsbreite der SHBC-Ausgangsimpulse auf einen Bereich von etwa 3 bis 15 Pikosekunden eingestellt.

Bohlin und seine Kollegen haben erfolgreich verschiedene Untersuchungen an Verbrennungsflammen und -systemen durchgeführt und dabei eine rein rotierende CARS-Technik zur Echtzeitüberwachung der Anregungseffizienz, eine zeitlich und räumlich aufgelöste CARS-Technik sowie eine CARS-Technik höherer Ordnung entwickelt. Darüber hinaus wurde der Wellenlängenbereich des Anregungslichtshinter dem „Fenster“ der Brennkammer mithilfemodernster technischer Verfahren, darunter die Selbstphasenmodulation, erweitert.

Der Schwerpunkt liegt auf Einfachheit, Präzision und Genauigkeit

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zeichnet sich das vom Bohlin-Labor entwickelte CARS-System durch eine höhere Stabilität und eine vereinfachte Systemarchitektur aus. In den vergangenen Jahren hat Bohlin innovative Verbesserungen vorgenommen, um diese beiden Ziele zu erreichen. Er sagt: „Wir brauchen ein tragbareres System, das bei Bedarf zum Verbrennungsort mitgenommen werden kann, anstatt nur auf Labormethoden zurückzugreifen, die für kleine Motoren im Labor geeignet sind. Denn es liegt auf der Hand, dass man Testraketenmotoren nicht in ein Forschungslabor mitnehmen kann. Das erfordert eine einzelne Laserquelle, die Astrella stabil ist Astrella und gleichzeitig tragbar ist.“

Was die Leistungsfähigkeit des CARS-Systems angeht, hat er sich konsequent dafür eingesetzt, die Messgenauigkeit und Präzision des Systems zu verbessern. Bohlin erklärt: „Die Geschichte der Laserspektroskopie zeigt, dass eine detailliertere Messung der Versuchsparameter nicht nur darin besteht, einigen Zahlen ein Dezimalzeichen hinzuzufügen, sondern oft wichtige neue wissenschaftliche Erkenntnisse zutage fördert.“ So konnte beispielsweise allein durch die Verwendung des 400-nm-Ausgangs des SHBC ( Astrella von Astrella ) anstelle von Laserimpulsen mit einer Wellenlänge von 532 nm als Detektionslicht für das CARS-System die Punktverbreiterung des CARS-Bildgebungssystems von 40 Mikrometern auf 20 Mikrometer reduziert und damit die Bildauflösung des Systems erheblich verbessert werden.

Derzeit baut er einen „Standardbrenner“ für_H₂-Flammen nach, um die Details der standardisierten Leistung mit beispielloser Genauigkeit und Präzision zu quantifizieren. Durch die genauere Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften der Wasserstoffflammenausbreitung, wie beispielsweise steile Temperaturgradienten und Diffusionsprobleme, überprüft er alte Theorien und Annahmen, die auf Messungen aus den 1990er Jahren basieren.

Die jüngsten Fortschritte, die Bohlin im Bereich der CARS-Verbrennungsanalyse erzielt hat, verdienen eine genauere Betrachtung.

„Wir brauchen ein System, das sich leichter transportieren lässt und bei Bedarf direkt zum Brandort mitgenommen werden kann, anstatt auf Laborverfahren zurückgreifen zu müssen, die nur für kleine Motoren im Labor geeignet sind.“

gleichzeitig räumliche und zeitliche Auflösung

Im Jahr 2020 veröffentlichte sein Team eine Arbeit [1], in der nachgewiesen wurde, dass mit einem einzigen regenerativen Verstärker gleichzeitig (korrelierte) räumliche (eindimensionale) und zeitliche (eindimensionale) Auflösung erzielt werden kann. Traditionell konzentrieren sich die meisten Raman-Analysesysteme auf Schwingungsenergieübergänge oder auf Schwingungs-Rotations-Übergänge kleiner Moleküle. Bohlin hingegen konzentriert sich auf rein rotatorische Energiezustände, da die Analyse von Rotationsenergieübergängen eine präzisere Temperaturmessung und Bildgebung ermöglicht. In dieser Studie führte das Team eine 1-kHz-Video-1D-CARS-Gastemperaturmessung an der Vorderkante einer instabilen Methan-Luft-Vormischflamme durch, wobei die Genauigkeit bei einer einzelnen Aufnahme unter 1 % und die Präzision unter 3 % lag, bei einem Sichtfeld von 1,4 mm und einer Bildauflösung von unter 20 µm. In der Studie wurden die Signale von einem Weitfeld-Kohärenz-Bildspektrometer an den Detektor übertragen. Das im Detektor erzeugte Signal hat die gleiche Wiederholungsfrequenz Astrella , wobeiAstrella SHBC auf natürliche Weise synchronisierte Femtosekunden- und Pikosekunden-Impulse erzeugen – siehe Abbildung 3.

Abbildung 3: Erzeugung synchroner Femtosekunden-Pump-/Stokes- und Pikosekunden-Detektionsstrahlen für die CARS-Temperaturmessung unter Verwendung Astrella einzelnen Astrella . Foto: Alexis Bohlin.

CARS mit in-situ-Referenz zur Anregungseffizienz

Ein weiterer wichtiger Erfolg der Bohlin-Gruppe ist ihr innovatives polarisationsempfindliches kohärentes Bildspektrometer, das sowohl resonante als auch nicht-resonante CARS-Signale gleichzeitig auf einem einzigen Detektor erfassen kann [2]. Er erklärt: „Dieses Messverfahren ermöglicht es, In-situ-Informationen über die Pulsanregungseffizienz zu gewinnen, die bei allen bisherigen Femtosekundenspektroskopie-Messungen unbekannt waren. Obwohl dieses neue Verfahren sehr komplex ist und derzeit noch nicht weit verbreitet ist, bietet es einen einzigartigen Weg, die Genauigkeit und Präzision bestehender CARS-Systeme zu übertreffen, und gilt daher als Maßstab für die Gasphasendiagnostik. Mit dieser Innovation haben wir die Chance, eine echte Kalibrierungsfreiheit zu erreichen, und ich sehe klare Aussichten auf die Verwirklichung des großen Traums, die Leistungsfähigkeit der Skalar-Messung auf eine Genauigkeit von ±1 % und eine Präzision von ±1 % zu steigern.“

CARS unter Verwendung einer In-situ-Referenz

Abb. 4: Gleichzeitige Erzeugung und Detektion von resonanten und nicht-resonanten CARS-Signalen auf Basis Astrella . Das resonante CARS-Signal (Kanal 1) enthält Informationen über Temperatur und Konzentration in der Probe, während das nicht-resonante CARS-Signal (Kanal 2) die effektive Bandbreite des in situ aufgezeichneten Femtosekunden-Laserimpulses kalibriert. Diese Informationen sind erforderlich, um die Genauigkeit und Präzision der CARS-Skalar-Messung auf unter den idealen Grenzwert von 1 % zu steigern [2].

Hochleistungs-CARS – äußerst empfindlich gegenüber der Energiedichte

Die „High-Order-CARS“-Technik führt das gesamte CARS-Konzept noch einen Schritt weiter, indem sie das angeregte CARS-Signal selbst als Detektionsimpuls nutzt, um aus der Probe CARS-Signale höherer Ordnung zu erzeugen! Angesichts der Vielzahl an Komponenten, die in Verbrennungssystemen vorkommen, könnten dabei unbrauchbare und äußerst komplexe Spektren entstehen. Das Team um Bohlin hat jedoch nachgewiesen, dass diese Spektren der computergestützten Analyse durchaus standhalten [3]. Diese Technik erzeugt zwangsläufig Signale, die sowohl schwach als auch so komplex sind, dass sie schwer zu analysieren sind – warum also wird sie dennoch eingesetzt? Er erklärt: „Die Signalintensität ist äußerst konzentrationsabhängig und variiert mit_{der Konzentration⁴}. Daher spielt sie tatsächlich eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Empfindlichkeit von CARS-Messungen. Sie kann beispielsweise als leistungsstarke Laserdiagnosetechnik dienen, um winzige Schwankungen der Hauptkomponenten des Gemisches unter vollständig gemischten Bedingungen zu quantifizieren. Die Fähigkeit, den Herstellungsprozess brennbarer Gemische genau zu bestimmen, zu verstehen und zu steuern, ist für Konstrukteure von Motoren mit hocheffizienter, sauberer Verbrennung seit jeher von großer Bedeutung.“ Er weist darauf hin, dass die Signalstärke auch sehr empfindlich auf die Laserintensität reagiert; daher istAstrella in Bezug auf Pulsenergie sowie Pulsdauer und spektrale Verteilung in solchen Fällen von entscheidender Bedeutung.

Gleichzeitig erzeugte CARS höherer Ordnung

Abb. 5: Die gleichzeitig erzeugten Signale von CARS höherer Ordnung und CARS werden mittels eines polarisationsempfindlichen kohärenten Bildspektrometers auf demselben Bild segmentiert und detektiert. Bei der CARS-Spektroskopie höherer Ordnung istAstrella entscheidendAstrella die Gewährleistung einer konstanten Impulseffizienz über den gesamten rotierenden Spektralbereich hinweg [3].

Ultrabreitband-CARS mit selbstkomprimierenden Impulsen

Während Temperaturmessverfahren und CARS-Methoden höherer Ordnung auf einen oder zwei Bestandteile der Flamme abzielen, hat das Team um Bohlin zudem eine Methode vorgestellt, mit der alle für die Verbrennung relevanten Hauptkomponenten (wie_O₂,_H₂,_CH₄ und_CO₂) gleichzeitig überwacht werden können. Dabei kommt ein Verfahren zum Einsatz, bei dem ultrabreitbandige Femtosekundenimpulse in situ erzeugt werden. Mithilfe dieser Methode und durch die in der Flamme tatsächlich erzeugte femtosekundenlaserinduzierte Fadenbildung die Astrella Laserpulse von etwa 35 fs auf etwa 24 fs komprimieren, was Bohlin als „weiche Kompression“ bezeichnet [4]. Dadurch konnten sie^{den „Fingerabdruckbereich“}von 1200–1600 cm-1 abdecken, in dem sich die Schwingungs-Rotations-Charakteristiken aller wichtigen Verbrennungskomponenten befinden. Diese Kompressionstechnik erzeugt am hinteren Rand des Fadens eine transformationsbegrenzte Ausgangssignalform, woraufhin die CARS-Signale in einem Bereich von etwa 4 mm hinter dem Faden, wo dieser den fs- und ps-Strahl kreuzt, detektiert werden. Bohlin erklärt: „Die In-situ-Erzeugung ultrabreitbandiger Impulse ist eine unglaubliche Technik, die den Einsatz zusätzlicher Impulskompressionsgeräte und Chirp-Kompensationsoptiken überflüssig macht und so die optische Anordnung vereinfacht. Beispielsweise besteht das Beobachtungsfenster an Raketenantrieben üblicherweise aus 2,5 cm dickem Glas. Die durch ein derart dickes Fenster verursachte Dispersion der Femtosekundenimpulse lässt sich kaum auf andere Weise kompensieren. Dass wir mit dem hochgradig kontrollierbaren in-situ-Faserbildungsverfahren arbeiten, beweist einmal mehr Astrella Stabilität Astrella .“

Abbildung 5: In einem Ultrabreitband-CARS-System decken Femtosekundenimpulse den gesamten Fingerabdruckbereich von 1200–1600^cm⁻¹ ab, erzeugen Signale im Inneren der Flamme, durchdringen selbst dicke Glasscheiben und weisen keine Probleme mit der Dispersionskompensation auf. Bild: Alexis Bohlin.

„Mit unserem hochgradig kontrollierbaren In-situ-Verfahren zur Faserherstellung konnten wir erneut nachweisen, dass die Produktion Astrella eine sehr hohe Stabilität aufweist.“

Wirklich erfolgreiche Forschung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die von Alexis Bohlin von der Technischen Universität Delft geleitete Forschungsgruppe die Leistungsfähigkeit und Funktionsvielfalt der CARS-Bildgebung und -Spektroskopie bei der Erfassung von Temperaturgradienten und Konzentrationen in verschiedenen Flammen und Verbrennungsquellen aufgezeigt hat. Ihre Forschungsarbeit zeichnet sich durch hohe Präzision und Genauigkeit aus, und die experimentellen Aufbauten basieren auf Astrella als gemeinsame Schlüsselkomponente für die Lasertechnik. Bohlin wird diese Methoden nun an der Fakultät für Weltraumwissenschaften der Technischen Universität Luleå in Kiruna sowie am schwedischen Weltraumzentrum in Jäsången zur Analyse von Raketenantriebssystemen anwenden.

Literaturverzeichnis

1. L. Castellanos, F. Mazza, D. Kliukin, A. Bohlin, Raum-zeitliche Thermometrie mittels rein rotatorischer 1D-CARS unter Verwendung eines einzelnen regenerativen Verstärkersystems, Opt. Lett. 45, 4662–4665 (2020). [Empfehlung der Redaktion]

2. F. Mazza, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin, Coherent mit In-situ-Referenzierung der impulsiven Anregungseffizienz, Proc. Combust. Inst. 38, 1895–1904 (2020).

3. D. Kliukin, F. Mazza, L. Castellanos, A. Bohlin, Kaskadierte kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung zur hochsensiblen Bestimmung der Teilchendichte in der Gasphase, J. Raman Spectroscopy; 1–9 (2021). [Sonderausgabe].

4. F. Mazza, N. Giffioen, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin, Hochtemperatur-Rotations-Vibrations-O₂-CO₂-Kohärenz-Raman-Spektroskopie mit in situ erzeugter ultrabreitbandiger Femtosekundenlaseranregung, angenommen für „Combustion and Flame“ im Jahr 2021.