Mit Metallen und Saphiren extreme Temperaturen messen
Photonik-Spezialisten haben Sensoren für extreme Anforderungen entwickelt. Auf dem Mars messen sie die Temperatur des Bodens, in Hochöfen die von flüssigem Eisen.
Stahlabstich bei ThyssenKrupp am Hochofen 8 in Duisburg-Hamborn: Forscher arbeiten an neuen Hightech-Thermometern, die auch höchste Temperaturen von bis zu 2040 Grad zuverlässig messen können.
Foto: ThyssenKrupp
Seit rund einem Jahr rollt das Marsmobil „Curiosity“ über den roten Planeten. Das vierrädrige Fahrzeug, das mit Messgeräten und Sensoren vollgestopft ist, sucht nach Wasser und Leben. Mit an Bord ist ein Temperatursensor, der einen Bereich von rund 160 Grad abdeckt. Seine Aufgabe ist es, die Bodentemperatur zu kartieren, die zwischen eisigen 130 Grad unter Null und sommerlichen 27 Grad Celsius über Null schwankt.
Mars-Rover misst mit Hightech-Thermometer aus Jena
Entwickelt wurde der Sensor am Institut für Photonische Technologien Jena, das seit Kurzem zur Leibniz-Gemeinschaft zählt. Strom braucht er nicht, im Gegenteil: Er erzeugt ihn selbst, und zwar umso mehr, je größer die Temperaturunterschiede zwischen den gegenüber liegenden Flächen des Sensors sind. Die Strommenge ist gleichzeitig das Maß für die an der Messfläche herrschende Temperatur. Die Genauigkeit liegt bei weniger als einem Grad.
Die Messungen beruhen auf dem thermoelektrischen Effekt. Zwischen unterschiedlichen Metallen, die unterschiedliche Temperaturen haben, entsteht eine Spannung, die einen elektrischen Strom fließen lässt. Um die benötigte Messgenauigkeit zu erreichen, wählten die Jenaer Forscher die Metalle Wismut und Antimon, die besonders empfindlich auf Temperaturunterschiede reagieren. Diese Kombination ist weltweit bisher einmalig. Um die Genauigkeit weiter zu steigern sind 100 dieser Sensoren hintereinandergeschaltet.
Die Photoniker in Thüringen kommen auch mit extrem hohen Temperaturen zurecht, etwa denen, die in Hochöfen herrschen. Diese erreichen bis zu 1200 Grad. Eine gleich bleibende Qualität des erschmolzenen Eisens sicherzustellen, müssen exakte Temperaturprofile gefahren werden. Diese Aufgabe übernehmen bisher Thermoelemente, die wegen der extremen Belastung in kurzen Abständen ausgetauscht werden müssen.
Auch 2040 Grad sind kein Problem
Die Jenaer Entwickler setzen auf ein Verfahren, das auf Glasfasern beruht. Als Material wählten sie Saphirglas, das im Grunde aus Aluminiumoxid besteht. Das Material ist unempfindlich gegen Säureangriffe durch Verunreinigungen im Eisenerz und hält Temperaturen von bis zu 2040 Grad aus. Die Fähigkeit, Temperaturen zu messen, beruhen auf der Wärmeausdehnung der Glasfaser. Dabei verändern sich die Brechungszahl der Faser und die Abstände so genannter Bragg-Gitter, die mit Laserhilfe in die Faser hineingeschrieben werden. Dadurch ändert sich die Wellenlänge von Licht, das in die Faser eingespeist wird. Gemessen wird das von einem Spektrometer.
Faserthermometer werden bereits als Feuermelder und in vielen anderen Bereichen eingesetzt, um frühzeitig gefährliche Temperaturveränderungen erkennen zu können. In flüssigem Eisen muss sich die Jenaer Spezialentwicklung noch bewähren.
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