Optische Eigenschaften von "jungen" kohlenstoffhaltigen Partikeln

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Schulz
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491110473

Trotz der Bedeutung der Bildung von kohlenstoffhaltigen Partikeln in Verbrennungsprozessen gibt es erstaunlich viele Rätsel im Zusammenhang mit ihrer Bildung, nämlich dem Übergang von molekularen Strukturen zu Partikeln. Das Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung und Klärung der optischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Molekülen und Partikeln während des Übergangs von der Gasphase zu Clustern und "jungen" Partikeln. Informationen über diese Eigenschaften haben eine dreifache Relevanz: (i) Für diagnostische Zwecke ist die Kenntnis der optischen Eigenschaften der entsprechenden Spezies entscheidend, um drängende Fragen im Zusammenhang mit der Messung der Rußbildung und der Rußbildungsmechanismen im Labormaßstab und in praktischen Prozessen zu lösen. (ii) Das Verständnis der Wechselwirkung der frühen Cluster/Teilchen in der Übergangsphase mit Strahlung liefert Information über die Bindungskräfte und damit den Bildungsmechanismus. (iii) Es besteht ein grundsätzliches Interesse am Verständnis der optischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Partikeln in allen Stadien ihres Entstehungsprozesses aufgrund ihrer Relevanz für die atmosphärische Strahlungsbilanz (der Treibhausbeitrag von Ruß hat die größte Gesamtunsicherheit), die Absorption und Re-Emission von abgelagerten Partikeln (z.B. auf Schnee), die die lokale Temperaturbilanz beeinflussen, und sogar die interstellare optische Transmission.Im Gegensatz zur konventionellen Rußforschung in Flammen, bei der der Übergang von gasförmigen Vorläufern zu Partikeln in einer sehr engen Zone stattfindet, die durch extreme Gradienten in Temperatur und Spezieskonzentration gekennzeichnet ist, werden die Experimente in diesem Projekt in Stoßwellenrohren durchgeführt. Hier sind die verschiedenen Stadien der Partikelbildung zeitlich (und damit auch räumlich wegen der schnell sich fortpflanzenden Stoßwelle, die die Reaktion auslöst) gut getrennt. Dies ermöglicht eine selektive Analyse der verschiedenen Zwischenstufen, die an der Bildung der Kohlenstoffpartikel beteiligt sind. Das Projekt macht sich eine einzigartige Kombination von experimentellen Möglichkeiten zunutze. Das bei etwa Atmosphärendruck betriebene Stoßwellenrohr ist mit optischer Diagnostik für zeit- und ortsaufgelöste Absorptionsmessungen (Kinetisches Spektrometer) sowie spektral- und reaktionszeitaufgelöste laserinduzierte Fluoreszenz- (RTR-LIF) und laserinduzierte Inkandeszenzmessungen (RTR-LII) ausgestattet. Diese spektroskopischen Methoden sind gekoppelt mit hochempfindlichen zeitaufgelösten Extinktionsmessungen, die den "Beginn der Rußbildung" beobachten, sowie mit einer Ex-situ-Charakterisierung der gebildeten Spezies. Diese kombinierten Methoden liefern umfassende Informationen über die Absorptions- und Emissionseigenschaften sowie über kleinste Strukturen, die eine Partikeldetektion durch LII ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen