Licht statt Funke
Integrierte Laser könnten Zündkerzen ersetzen.
Zündkerzen gehören zum Ottomotor wie Räder zum Auto. Sie erzeugen einen Funken und entzünden damit das Benzin-Luft-Gemisch des Motors. Als Beiprodukte dieser Verbrennung entstehen unerwünschte Stickoxide, deren Anteil sich dadurch verringern lässt, dass mehr Luft beigemischt wird. Allerdings müssen die Zündkerzen dann Funken höherer Energie erzeugen, was zu einer stärkeren Erosion der Elektroden führt. Geeignete Laser hätten dieses Problem nicht, waren bislang aber zu groß als Ersatz für Zündkerzen. Nun ist es Wissenschaftlern der japanischen National Institutes of Natural Sciences und eines gemeinsamen Tochterunternehmens von Toyota und Denso gelungen, einen Laser so weit zu miniaturisieren, dass er sich in das konventionelle Gehäuse einer Zündkerze integrieren lässt.
Gleiche Bauform, unterschiedliche Energieerzeugung: „Laserkerze“ und Zündkerze. (Quelle: Takunori Taira, NINS)
Um die Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches zu starten, muss ein Laser eine Intensität von etwa 100 GW/cm2 erreichen. Die Forscher verwenden einen Laser aus zwei YAG-Teilen (Yttrium-Aluminium-Granat): Eines ist mit Neodym dotiert, das andere mit Chrom. Der komplette gütegeschaltete Laser ist nur 11 mm lang und hat einen Durchmesser von 9 mm. Jeder 800 ps lange Puls trägt 2,5 mJ Energie. Die Forscher haben bislang Pulswiederholraten bis 100 Hz erreicht, fürs Auto genügen bereits 60 Hz. Der Laser ist nicht stark genug, um die magersten Benzin-Luft-Gemische mit einem einzigen Puls zu zünden, aber mehrere Pulse nacheinander reichen dafür aus.
Der Nd:YAG/Cr4+:YAG-Laser erzeugt zwei Strahlen, die sich in die Mitte des Benzin-Luft-Gemisches fokussieren lassen. Dadurch steigt die Effizienz der Verbrennung verglichen mit einem einzelnen Zündfunken, der am Ende des Kolbens entsteht. Eine noch gleichmäßigere Verbrennung verspricht ein dreistrahliger Laser, dessen Entwicklung bereits weit fortgeschritten ist.
Michael Vogel
