Umweltschutz mit Laserlicht: Laserspektroskopische Analyse und mathematische Modellierung von Verbrennungsprozessen

Seit über einer Million Jahren bedient sich der Mensch der Verbrennungsprozesse zur Energieumwandlung. Auch heute noch decken Verbrennungsprozesse über 90 % des weltweiten Energiebedarfs. Die Freisetzung der in fossilen Brennstoffen gespeicherten Sonnenenergie hat damit inzwischen Dimensionen erreicht, deren globale Auswirkungen in der Atmosphäre und Biosphäre nicht mehr zu übersehen sind. Die Entwicklung umweltfreundlicher und effizienter neuer Verbrennungsverfahren kann jedoch kaum noch wie bisher auf überwiegend empirische Weise vorangebracht werden. Technische Verbrennungsprozesse sind bestimmt durch eine komplexe mehrdimensionale Wechselwirkung zwischen verschiedenen Transportvorgängen und einer großen Zahl von chemischen Elementarreaktionen. Ein grundlegendes Verständnis dieser Wechselwirkung ist notwendig, wenn in Zukunft entscheidende Fortschritte in der besseren Ausnutzung der Kraftstoffe bei gleichzeitiger Verminderung der Schadstofferzeugung erzielt werden sollen. Neue Möglichkeiten bietet eine verbesserte Computermodellierung von Verbrennungsvorgängen. Eine zuverlässige Validierung dieser Modelle ist jedoch nur möglich, wenn es gelingt, ohne Störung des Verbrennungsvorgangs Informationen über Temperatur, Konzentrationen und Geschwindigkeiten der reagierenden Teilchen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erhalten. Die Entwicklung leistungsfähiger Laserlichtquellen in einem weiten Wellenlängenbereich hat auf dem Gebiet der berührungsfreien Diagnostik zu wesentlichen Fortschritten geführt. Durch Einsatz linearer und nichtlinearer laserspektroskopischer Techniken wie laserinduzierter Fluoreszenz (LIF), kohärenter anti‐Stokes‐Ramanspektroskopie (CARS), Raman‐, Rayleigh‐ und Mie‐Streuung sowie abstimmbarer Infrarotlaser lassen sich die gewünschten Parameter mit hoher zeitlicher Auflösung sowohl punktweise wie auch in mehreren Dimensionen simultan erfassen. In dem vorliegenden Beitrag wird der Stand der Entwicklung anhand verschiedener Beispiele dargestellt, wobei die Systeme nach steigender Komplexität geordnet sind.