Saphir-Optikfaser verspricht sauberere Energie & sicherere Luftfahrt

Forscher an der Oxford University haben eine Saphir-Optikfaser verwendet – einen Faden aus industriell gezüchtetem Saphir, der weniger als einen halben Millimeter dick ist – der Temperaturen über 2000 °C standhalten kann. Wenn Licht in eines Ende der Saphirfaser injiziert wird, wird ein Teil an einem Punkt entlang der Faser reflektiert, der so modifiziert wurde, dass er temperaturempfindlich ist (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: Obwohl die Saphirfaser sehr dünn erscheint, ist sie im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts riesig. Das bedeutet, dass das Licht viele verschiedene Pfade 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 Länge der Faser schrieben, sodass das Licht in einem winzigen Querschnitt, einhundertstel Millimeter im Durchmesser, eingeschlossen wird. Mit diesem Ansatz konnten sie einen Sensor herstellen, der predominantly eine einzelne Wellenlänge des Lichts reflektiert.

Die initiale Demonstration erfolgte an einem kurzen Stück Saphirfaser von 1 cm Länge, aber die Forscher sagen voraus, dass Längen von bis zu mehreren Metern möglich sein werden, mit einer Reihe separater Sensoren entlang dieser Länge. Dies würde es ermöglichen, Temperaturmessungen in einem Strahltriebwerk durchzuführen, zum Beispiel. Die Nutzung dieser Daten zur Anpassung der Triebwerksbedingungen während des Flugs hat das Potenzial, Stickoxidemissionen signifikant zu reduzieren und die Gesamteffizienz zu verbessern, wodurch die Umweltauswirkungen verringert werden. Die Strahlungsbeständigkeit des Saphirs ermöglicht auch Anwendungen in der Raumfahrt- und Fusionsenergieindustrie.

Mitglied des Engineering Science Forschungsteams Dr. Mohan Wang sagt: „Die Sensoren werden mit einem Hochleistungslaser mit extrem kurzen Pulsen gefertigt, und eine bedeutende Hürde war, zu verhindern, dass der Saphir während dieses Prozesses bricht.“

Die Arbeit ist Teil eines 1,2 Mio. £ EPSRC Fellowship Grant, den der EPSRC Research Fellow Dr. Julian Fells des Departments hält, und wurde in Partnerschaft mit Rolls-Royce, der UK Atomic Energy Authority (Remote Applications in Challenging Environments – RACE), Cranfield University, Halliburton und MDA Space and Robotics durchgeführt.

Rob Skilton, Leiter der Forschung bei RACE, UK Atomic Energy Authority, sagt: „Diese Saphir-Optikfasern werden viele verschiedene potenzielle Anwendungen in den extremen Umgebungen eines Fusionskraftwerks haben. Diese Technologie hat das Potenzial, die Fähigkeiten zukünftiger Sensor- und Robotik-Wartungssysteme in diesem Sektor signifikant zu erhöhen und UKAEA in seiner Mission zu unterstützen, sichere, nachhaltige, kohlenstoffarme Fusionsenergie ins Netz zu liefern.“