Um die gesetzten Klimaziele zu erreichen und die globale Erw\u00e4rmung einzud\u00e4mmen, m\u00fcssen alle Staaten den Anteil an fossilen Energietr\u00e4gern schnellstm\u00f6glich auf ein Minimum reduzieren. Als nachhaltige Alternative wird verst\u00e4rkt auf Wasserstofftechnologien gesetzt \u2013 vor allem im Produktions- und Mobilit\u00e4tssektor. \u00dcberall wo mit Wasserstoff gearbeitet wird, er gelagert, transportiert und weitergeleitet wird, d\u00fcrfen entsprechende Sicherheitsvorkehrungen nicht fehlen. Denn obwohl Wasserstoff nicht giftig ist, er weniger wiegt als Luft und somit nach oben steigt, kann es zu gef\u00e4hrlichen Situationen kommen.<\/p>\n\n\n\n
\u00dcberschreitet n\u00e4mlich die Wasserstoffkonzentration in der Luft einen Schwellenwert von vier Prozent, was bei ausreichend Druck in einem Wasserstofftank oder bei mangelnder Bel\u00fcftung eines Raumes schnell erreicht werden kann, gen\u00fcgt eine kleine Z\u00fcndquelle, ein einzelner Funken, um eine Explosion auszul\u00f6sen, so Fraunhofer Gesellschaft in einer Pressemeldung<\/a>.<\/p>\n\n\n\n Dies gilt es vorausschauend zu verhindern und Dr. G\u00fcnter Flachenecker, Senior Scientist am Fraunhofer HHI, wei\u00df, wie. An der Au\u00dfenstelle Abteilung Faseroptische Sensorsysteme des Fraunhofer HHI in Goslar forscht der promovierte Physiker zusammen mit seinem Team an M\u00f6glichkeiten zur Wasserstoffdetektion mithilfe von Sensoren aus Glasfasern. <\/p>\n\n\n\n “Herk\u00f6mmliche Sicherheitssensoren, die zur Erfassung von Wasserstoff derzeit kommerziell verf\u00fcgbar sind \u2013 das sind in der Regel katalytische W\u00e4rmet\u00f6nungssensoren oder elektrochemische Zellen \u2013, ben\u00f6tigen eine elektrische Stromversorgung. Beide Varianten k\u00f6nnten so, wenn das Ger\u00e4t oder die elektrischen Zuleitungen einen Defekt aufweisen, im schlimmsten Fall selbst als Z\u00fcndquelle die Explosion ausl\u00f6sen, die sie eigentlich verhindern sollten”, erkl\u00e4rt Flachenecker.<\/p>\n\n\n\n “Bei unseren Glasfasersensoren besteht diese Gefahr nicht. Gleichzeitig m\u00fcssen sie nicht aufw\u00e4ndig verkabelt werden, sind klein und lassen sich gut in verschiedenste Strukturen der zu \u00fcberwachenden Anlage oder des Fahrzeugs integrieren.”<\/p>\n\n\n\n Lichtleitende Glasfasern sind aufgrund ihres geringen Durchmessers von etwa einem Viertel Millimeter und ihrer Robustheit geradezu pr\u00e4destiniert f\u00fcr sensorische Applikationen in einer sicherheitsrelevanten Umgebung. Damit eine Glasfaser zum Wasserstoffsensor wird, muss sie an verschiedenen Stellen modifiziert werden. Hierf\u00fcr werden zun\u00e4chst mit einem Laser bestimmte Strukturen in den Glasfaserkern eingepr\u00e4gt, sodass ein sogenanntes Faser-Bragg-Gitter entsteht \u2013 eine periodische Brechungsindexmodulation, die daf\u00fcr sorgt, dass Licht bei einer bestimmten Wellenl\u00e4nge reflektiert wird.<\/p>\n\n\n\n Dass die Glasfaser nun speziell auf Wasserstoff reagiert, wird erreicht, indem rund um den Glasfasermantel eine spezifische funktionelle Beschichtung aufgetragen wird. “Wir arbeiten mit katalytischen Schichten, zum Beispiel Palladium oder Palladiumlegierungen”, so Flachenecker. “Palladium hat die Eigenschaft, dass es Wasserstoff aufsaugt, \u00e4hnlich wie ein Schwamm. Sobald die beiden Stoffe aufeinandertreffen, zerf\u00e4llt der Wasserstoff in seine atomaren Fragmente und die freigesetzten Wasserstoffatome dringen in das Kristallger\u00fcst des Palladiums ein. Dies f\u00fchrt zu einer Dehnung in der Glasfaser, die sich \u00fcber das eingebaute Faser-Bragg-Gitter augenblicklich als Ver\u00e4nderung in den r\u00fcckgemeldeten Lichtimpulsen messen l\u00e4sst. Sobald die Wasserstoffkonzentration in der Luft dann wieder abnimmt, l\u00f6st sich der Wasserstoff auch wieder aus dem Palladium.”<\/p>\n\n\n\n Die Beschichtung tr\u00e4gt dadurch also keinen Schaden davon und der Sensor kann wiederverwendet werden. Gleichzeitig funktioniere der beschriebene Vorgang nur, weil Wasserstoffatome sehr klein sind, betont Flachenecker. Andere Stoffe k\u00f6nnen auf diesem Wege nicht in die Palladiumschicht eindringen.<\/p>\n\n\n\n Doch das ist nicht die einzige Methode, die von den Forschenden getestet wurde. So ist eine Wasserstoffdetektion auch mit Glasfasern m\u00f6glich, deren Mantel wegge\u00e4tzt wurde, oder mit einer sehr d\u00fcnnen Schicht aus Nanopartikeln, die auf den Glasfasermantel aufgetragen werden. “Das ist eine gro\u00dfe Spielwiese und es gibt einiges, was wir noch ausprobieren wollen”, sagt Flachenecker. “Entscheidend ist es f\u00fcr uns, M\u00f6glichkeiten zur Wasserstoffdetektion zu finden, die schnell genug sind, um Unf\u00e4lle zu verhindern, und die zuverl\u00e4ssig im ben\u00f6tigten Empfindlichkeitsbereich reagieren. Und da sind wir aktuell auf einem sehr guten Weg.”<\/p>\n\n\n\n In der Praxis k\u00f6nnten die neuen Glasfasersensoren zum Beispiel integraler Bestanteil von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb werden und zur \u00dcberwachung von Wasserstofftankstellen, Autowerkst\u00e4tten oder Elektrolyseuren eingesetzt werden. Auch der Aufbau eines gr\u00f6\u00dferen Sensornetzwerks, das eine Wasserstoff-Infrastruktur an vielen Stellen gleichzeitig \u00fcberwacht, lie\u00dfe sich leicht umsetzen. <\/p>\n\n\n\n Die Elektronik f\u00fcr die Messdatenaufnahme, also zum Beispiel ein Spektrometer f\u00fcr die optische Auswertung der Glasfasersensoren, kann r\u00e4umlich beliebig weit entfernt an einem sicheren Ort installiert sein. Wird eine bestimmte Wasserstoffkonzentration \u00fcberschritten und der Sensor schl\u00e4gt an, so wird das je nach konkretem Anwendungsfall angebundene Alarmmanagement ausgel\u00f6st und spezifische Ma\u00dfnahmen, zum Beispiel ein akustisches Warnsignal, das Schlie\u00dfen von Ventilen oder das \u00d6ffnen von Fenstern k\u00f6nnen in Sekundenschnelle eingeleitet werden.<\/p>\n\n\nSicherheitsrisiko<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
Beschichtung<\/h2>\n\n\n\n
Anwendungskontexten<\/strong><\/h3>\n\n\n\n