Saphirfaser könnte sauberere Energie und Luftreisen ermöglichen

Forscher der Universität Oxford haben eine optische Saphirfaser verwendet – einen Faden aus industriell gezüchtetem Saphir, der weniger als einen halben Millimeter dick ist – der Temperaturen von über 2000 °C standhalten kann. Wenn Licht in ein Ende der Saphirfaser eingestrahlt wird, wird ein Teil von einem Punkt entlang der Faser zurückreflektiert, der modifiziert wurde, um temperaturempfindlich zu sein (bekannt als Bragg-Gitter). Die Wellenlänge (Farbe) dieses reflektierten Lichts ist ein Maß für die Temperatur an diesem Punkt.

Die Forschung löst ein 20 Jahre altes Problem mit bestehenden Sensoren, dass die Saphirfaser zwar sehr dünn erscheint, aber im Vergleich zur Lichtwellenlänge riesig ist. Das bedeutet, dass das Licht viele verschiedene Wege entlang der Saphirfaser nehmen kann, was dazu führt, dass viele verschiedene Wellenlängen gleichzeitig reflektiert werden. Die Forscher überwanden dieses Problem, indem sie einen Kanal entlang der Faser schrieben, sodass das Licht in einem winzigen Querschnitt von einem Hundertstel Millimeter Durchmesser enthalten ist. Mit diesem Ansatz war es ihnen möglich, einen Sensor herzustellen, der hauptsächlich eine einzige Lichtwellenlänge reflektiert.

Die anfängliche Demonstration fand auf einer kurzen Saphirfaser von 1 cm Länge statt, aber die Forscher sagen voraus, dass Längen von bis zu mehreren Metern möglich sein werden, mit einer Reihe von separaten Sensoren entlang dieser Länge. Dies würde beispielsweise Temperaturmessungen in einem Strahltriebwerk ermöglichen. Die Verwendung dieser Daten zur Anpassung der Motorbedingungen während des Flugs hat das Potenzial, die Stickoxidemissionen erheblich zu reduzieren und die Gesamteffizienz zu verbessern, wodurch die Umweltbelastung verringert wird. Die Strahlungsbeständigkeit des Saphirs ermöglicht auch Anwendungen in der Raumfahrt- und Fusionsenergieindustrie.

Dr. Mohan Wang, Mitglied des Forschungsteams von Engineering Science, sagt:„Die Sensoren werden mit einem Hochleistungslaser mit extrem kurzen Impulsen hergestellt, und eine erhebliche Hürde bestand darin, zu verhindern, dass der Saphir während dieses Prozesses bricht.“

Die Arbeit ist Teil eines EPSRC-Stipendienstipendiums in Höhe von 1,2 Mio. £, das vom EPSRC-Forschungsstipendiaten der Abteilung, Dr. Julian Fells, gehalten wird, und wurde in Partnerschaft mit Rolls-Royce, der britischen Atomenergiebehörde (Remote Applications in Challenging Environments – RACE), Cranfield University, durchgeführt , Halliburton und MDA Space and Robotics.

Rob Skilton, Forschungsleiter bei RACE, UK Atomic Energy Authority, sagt:„Diese optischen Saphirfasern werden viele verschiedene potenzielle Anwendungen in den extremen Umgebungen eines Fusionsenergiekraftwerks haben Roboter-Wartungssysteme in diesem Sektor, die UKAEA bei seiner Mission unterstützen, sichere, nachhaltige und kohlenstoffarme Fusionsenergie an das Netz zu liefern."