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News: Mehr Licht mit Alkohol

Lichtwellenleiter nutzt man zurzeit in erster Linie zur Übermittlung von Informationen. Entsprechend behandelt, lassen sich mit einer solchen Faser aber auch Informationen gewinnen. So entwickelten Wissenschaftler jüngst einen Polymer-beschichteten Lichtwellenleiter, der die Alkoholkonzentration in der Luft messen kann.
Licht ist ein vorzügliches Medium, um Informationen zu übertragen, denn nichts bewegt sich schneller. Darum liegt es nahe, Lichtsignale ähnlich wie elektrische Ströme durch Kabel zu leiten. Das gelingt mit so genannten Lichtwellenleitern, dünnen Fasern aus Glas oder einem anderen Material hoher Transparenz und Brechzahl.

Im Vergleich zur Ummantelung oder zur Umgebungsluft hat die Faser eine größere Brechzahl. Die Lichtstrahlen werden im Inneren also teilweise an der Oberfläche des Leiters total reflektiert und können ihn deshalb nicht verlassen. Je höher die Güte des Lichtwellenleiters, desto weniger Licht tritt entlang der Faser aus und umso mehr dafür an ihrem Ende.

Masayuki Moriswa von der Yamanashi University und seine Kollegen haben nun einen Lichtwellenleiter hergestellt, dessen Effizienz sich ändert – und zwar je nachdem, wie hoch die Alkoholkonzentration in der Luft ist. Dazu beschichteten die Wissenschaftler eine ein Millimeter dicke und fünf Zentimeter lange Polymerfaser mit dem Brechungsindex 1,51 mit einem Überzug eines Novolac-Harzes. Diese Ummantelung reagiert äußerst sensibel auf Alkohol-Dämpfe, indem sie anschwillt. Gleichzeitig fällt damit ihre Brechzahl von 1,60 auf 1,45 – letzterer Wert gilt für alkoholgesättigte Luft.

Die Brechzahl des Leiterkerns liegt also zwischen diesen Werten. Die Folge ist, dass bei Abwesenheit von Alkohol die Brechzahl des Überzugs deutlich über der des Kerns liegt, was bedeutet, dass ein Großteil des Lichts die Faser verlassen kann. An ihrem Ende kommt also nur eine vergleichsweise geringe Intensität an. Steigt der Alkoholgehalt der Luft jedoch, so wird die Brechzahl der Ummantelung stetig kleiner und immer mehr Licht gelangt an das Ende des Lichtwellenleiters. Die Intensität des durchgelassenen Lichts ist also ein Maß für die Alkoholkonzentration der Luft.

Dem Team gelang es sogar, den Sensor noch empfindlicher zu machen, indem sie dem Polymerüberzug Eisen und Schwefel beimengten. Ein derartiger Mantel dehnt sich in gleicher Weise, allerdings absorbiert er zusätzlich auch einen Teil des Lichts, da er schwarz ist. So erreicht bei geringer Alkoholkonzentration nur noch ein Bruchteil des in die Faser eingespeisten Lichtes den Detektor am anderen Ende. Bei steigender Konzentration kommt es dann zu einem markanten Sprung in der Intensität, das Kabel leitet schlagartig mehr Licht.

Laut Moriswa hat der empfindliche Lichtwellenleiter als Sensor viele Vorteile, wie geringe Herstellungskosten, einfache Handhabung und Flexibilität. Das hoch sensible Bauteil kann sogar zwischen verschiedenen Gasen unterscheiden, da es auf unterschiedliche Alkohole, wie Methanol und Ethanol, verschieden reagiert. Damit lässt sich beispielsweise ein Lecksensor für Treibstoffzellen bauen oder eben ein einfaches Gerät zur Messung des Alkoholspiegels von Verkehrsteilnehmern.

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