Detaillierte Analysen und tieferes Verständnis der grundlegenden Plasmaprozesse bilden die Basis für die Weiterentwicklung und Optimierung der lichtbogenbasierten Schaltertechnologien. Das Schaltvermögen bei hohen Strömen in allen Spannungsebenen erfordert eine hohe Zuverlässigkeit der Stromnetzkomponenten. Die Entwicklung von Schaltgeräten, auf hohem technischen Niveau und unter Berücksichtigung der Umweltverträglichkeit, benötigt die Einbeziehung komplexer, physikalischer Plasmamodelle und fortgeschrittener, experimenteller Diagnostik. Der Einsatz dieser Methoden für die Design- und Parameteroptimierung ermöglicht eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis bei der Schalterentwicklung.

Für die Untersuchungen an hochdynamischen Schaltlichtbogenplasmen werden kombinierte Diagnostikmethoden, einschließlich optischer Emissions- und Absorptionsspektroskopie, sowie Hochgeschwindigkeitskameratechniken eingesetzt. Die Bestimmung von Plasmaparameter, wie z.B. Temperatur oder Zusammensetzung erfolgt durch Zusammenführung komplementärer Methoden einschließlich der Plasma- und Strahlungssimulation.  Neben dem Verhalten des Lichtbogens sowie seiner Wechselwirkung mit Elektroden und Wänden und der Zünd- und Löschvorgänge stehen Untersuchungen zur Erosion und Oberflächentemperatur der Elektroden und Wände aktuell im Vordergrund. Es werden insbesondere Vakuumbögen und abbrandbestimmte Bögen untersucht.

Eine wichtige Voraussetzung zur Erreichung der Klimaneutralität wird durch eine emissionsfreie Wasserstofferzeugung als zukunftsträchtiger Energiespeicher bedingt. Hierbei können Plasma- unterstützte Verfahren aufgrund ihrer hochenergetische thermische Prozesse einen erheblichen Beitrag zur Erhöhung der Effizienz in der Wasserstoffproduktion leisten, da diese Verfahren je Wasserstoffkilogram etwa ein Fünftel der primären Energie im Vergleich zu herkömmliche Wasserelektrolyseverfahren benötigen. Darüber hinaus ermöglichen plasmagestützte Prozesse die Herstellung von Synthese-Gasse für CO2-neutrale Treibstoffe sowie die Produktion hochwertigem gebundenen Kohlenstoff für industrielle Herstellungsprozesse.
Die Untersuchung dieser hochenergetischen chemischen Prozesse wird durch die Anwendung kombinierte Diagnostikmethoden und Langzeit-Monitoringtechniken ermöglicht. Die Bestimmung von Plasmaeigenschaften (Temperatur, Spezies, etc.) erfolgt durch die komplementäre Anwendung experimenteller und mathematischer Modellierungstechniken. Sowohl das stabile Lichtbogenverhalten als auch die Wechselwirkung des Plasmas mit dem Ausgangsstoff und Zwischenprodukte sind für die Optimierung der Hochtemperatur-Prozesse und Effektivitätserhöhung entscheidend.

Die experimentelle Diagnostik wird durch numerische Simulationen und Modellierung unterstützt. Trotz etablierter Technologien und langjähriger Forschung fehlen detaillierte Kenntnisse über spezifische Eigenschaften und physikalische Zusammenhänge in den Lichtbogenplasmen. Diese Tatsache verhindert technologische Innovationen maßgeblich. Detaillierte physikalische Modelle, die eine genaue Beschreibung der relevanten Prozesse beinhalten, liefern die nötigen Informationen und entsprechenden Erkenntnisse. Im Fokus aktueller Forschung steht die Erarbeitung von Nichtgleichgewichtsplasmamodellen für thermische Plasmen, Vakuumplasmen und partielle Entladungen. Simulationen von Lichtbögen und Elektroden, unter Berücksichtigung der Abweichungen vom thermischem, chemischem und Ionisation-Gleichgewicht im Lichtbogen und den Elektrodenrandschichten sowie der Einbeziehung von Verdampfungsprodukten wie insbesondere Metalldämpfen, führen neben dem Erkenntnisgewinn bezüglich relevanter Mechanismen zu einer besseren Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Dies erlaubt die Entwicklung von realistischen Simulationstools für die Design- und Parameteroptimierung.  

Das von Plasmen emittierte Licht enthält wesentliche Informationen über deren Temperatur, Zusammensetzung und Druck. Die Auswertung von räumlichen und zeitlichen Abhängigkeiten dieser Parameter liefert Aussagen über das Plasma selbst, ihre Wechselwirkung mit der umgebenden Materie sowie den Einfluss auf Mensch und Umwelt. Eine In-situ Analyse dieser Daten erlaubt einerseits eine präzise und stabile Prozessführung und Erhöhung der Effizienz, und andererseits eine Verbesserung der Arbeitssicherheit und Verringerung der Umweltbeeinflussung. So wird aktuell an der Kontrolle der Rauchemission bei Metallschutzgasschweißprozessen unter Einsatz von spektral selektiven optischen Sensoren gearbeitet.

Die optische und insbesondere pyrometrische Diagnostik von Oberflächenstrahlung bietet ein noch weitgehend ungenutztes Potential für die Kontrolle und Steuerung von Füge- und Auftragsprozessen mittels Lichtbogen oder Laser. Hier gilt es, neben Temperaturfeldern von Werkstücken und Fügenähten auch Temperaturen von Schmelzen zuverlässig und ungestört von der Lichtbogen- bzw. Laserstrahlung aus der spezifischen Oberflächenstrahlung zu ermitteln.

Die Erarbeitung entsprechender optischer Mess- und Kontrollkonzepte unterstützt maßgeblich die Qualifizierung von Lichtbogen- und Laserprozessen für Industrie 4.0 und besitzt auch ein hohes Potential für die Qualitätskontrolle bei Prozessen der generativen Fertigung.

Teilentladungen, als ein permanenter Begleiter aller Hochspannungsanwendungen, führen zu fortschreitenden Alterungserscheinungen und letztendlich zum Versagen der Hochspannungskomponenten des Stromnetzes, wie z.B. Transformatoren, Mittelspanungskabel, Isolationen von Leistungselektronik sowie Komponenten des Verteilungsnetzes. Kenntnisse über die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse spielen eine wesentliche Rolle bei der adäquaten Zustandsbewertung und realistischen Vorhersage der Lebensdauer der Anlagen.

Für die Analyse von Teilentladungsaktivitäten wird eine breitbandige elektrische Diagnostik (>1 GHz) in Kombination mit einer hochempfindlichen optischen Diagnostik, wie z.B. iCCD-Kameras, optische Emissionsspektroskopie und Photomultiplier, eingesetzt. Die Korrelation zwischen elektrischen und optischen Signalen ist Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Konventionelle emissionsbehaftete Verfahren der thermischen Verwertung (Pyrolyse, Verbrennung) sind für die Behandlung von Sonder- sowie Verbundwerkstoffabfällen nur bedingt geeignet, da meist nur die bindenden Kunststoffmatrizen thermisch verwertet wird. Da den Abbau reaktionsträgen Glas- und Kohlenstofffasern hohe Temperaturen (deutlich über 2.000°C) erfordert, können plasmagestützte Prozesse aufgrund der sehr hohen Temperaturen (deutlich über 5.000°C) und die Fähigkeit zur emissionsfreien Entsorgung eine echte Alternative bieten. Darüber hinaus können Ausgangsprodukte wie Synthesegas (H2/CO) für die Herstellung von Kraft- und Wertstoffen sowie Silikaten für die Chemie- und Bauindustrie erzeugt werden.
Schwerpunkt der Untersuchungen bilden hierbei die Bestimmung der notwendigen Prozessbedingungen unter Verwendung thermischer Plasmen einschließlich der Charakteristiken der Energiequellen und Produktbehandlung. Hierbei tragen zur wissenschaftliche Erkenntnisgewinnung die Anwendung optische Diagnostiktechniken sowie FEM-Strömungssimulation zur Prozessoptimierung und Energieeffizienzerhöhung sowie Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit bei.

Konventionelle Schweißverfahren erfordern signifikante Innovationen, um unter steigenden Qualitätsansprüchen als kostengünstige Technologie auch für neuartige Materialien konkurrenzfähig zu bleiben. Prozesssicherheit und -effizienz sind charakteristische Merkmale moderner Schweißtechnologien. Ein detailliertes Verständnis der Plasmaeigenschaften und Kenntnisse der Wechselwirkung zwischen Lichtbogen, Substrat und Elektroden sind für die Entwicklung solcher innovativen Schweißverfahren unabdingbar.

Einen Forschungsschwerpunkt bildet die Qualifizierung optischer und spektroskopischer Diagnostikmethoden für Messungen an hochdynamischen und unsymmetrischen Objekten unter Prozessbedingungen einschließlich der notwendigen Datenbearbeitung. Dabei stehen neben dem Lichtbogen selbst die Entwicklung von Lichtbogenansätzen an Elektroden, die Bildung von Metalldämpfen, der Materialtransfer und das Schmelzbad im Fokus. Die Ermittlung räumlich und zeitlich hochaufgelöster Daten wird insbesondere durch Hochgeschwindigkeitskameratechnik, die Kombination spektral selektiver Aufnahmen und geometrische Rekonstruktionen erreicht.  Eine besondere Bedeutung kommt diesen Daten für die Validierung von Lichtbogenmodellen und Schweißprozesssimulationen zu (siehe Beitrag Modellierung und Simulation). Weiterhin gestatten die Verfahrensentwicklungen die Ableitung von praxistauglichen Methoden für eine online Prozessüberwachung etwa mit Photodioden (siehe Beitrag Optische Sensoren).

Für besondere Anwendungsfälle wie z.B. das Unter-Pulver-Schweißen werden spezialisierte Ansätze entwickelt, um die vom Pulver verdeckten Prozesse in der Lichtbogenkaverne beobachten und analysieren zu können.

Die Ergebnisse der Grundlagenforschung fließen in die Weiterentwicklung innovativer Prozessführungskonzepte, wie z.B. Laser-unterstütztes Schweißen und Unter-Pulver-Schweißen, mit ein. Durch die Erhöhung der Stabilität, Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Prozesse schaffen die Forschungsarbeiten des INP hierzu einen wesentlichen Mehrwert für industrielle Anwendungen. 

Eine maßgebliche Verbesserung von Prozesseffizienz und Zuverlässigkeit von lichtbogenbasierten Technologien, wie z.B. dem Schweißverfahren oder Gas- und Vakuumschalter, erfordert detaillierte Kenntnisse über die Eigenschaften und Dynamik relevanter Plasmen. Besondere Aufmerksamkeit verdienen hierbei die plasmaangrenzenden Bereiche, wie z.B. Elektroden und Wände. Die Wechselwirkung zwischen Plasma und umgebendem Medium ist von großer Bedeutung in allen lichtbogenbasierten Technologien. Die Analyse der physikalischen Prozesse von Lichtbogenplasmen und deren Umgebung mit Hilfe von optischer Diagnostik und numerischen Modellen steht im Fokus des Grundlagenprojektes. Die Bestimmung der Plasmaeigenschaften, wie z.B. Temperatur und Zusammensetzung, erfolgt unter dem Einsatz von kombinierten spektroskopischen Methoden.  Die Auswertung der Linienstrahlung der Atome und Ionen beispielsweise erweitert den Einsatzbereich optischer Emissionsspektroskopie für breitere räumliche Gebiete und Zeitabschnitte. Tomographische Methoden werden unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameratechnik für Studien an unsymmetrischen Lichtbögen angewendet. Die Absorptionsspektroskopie wird als eine Methode für quantitative Untersuchengen der kalten Plasmaregionen und angrenzenden Gebiete etabliert.

Projektleiter:
Dr.-Ing. Diego Gonzalez
Tel.: +49 3834 - 554 3959
diego.gonzalezinp-greifswaldde

Lichtbogenplasmen besitzen nach wie vor einen breiten Anwendungsbereich in industriellen Prozessen und Anlagen. Jedoch ist das Verständnis der physikalischen Mechanismen in elektrischen Lichtbögen und deren komplexe Wechselwirkung immer noch unvollständig. Zur Beschreibung des stark gekoppelten und nichtlinearen physikalischen Problems werden Vereinfachungen wie z. B. die Annahme lokalen thermodynamischen Gleichgewichts, die Drift-Diffusions-Näherung oder die vereinfachte Form des Ohm’schen Gesetzes in Betracht gezogen. Diese Voraussetzungen versagen insbesondere bei kleinen Strömen (unter 50 A) und kurzen Bogenlängen (unter 2 mm).

Das Ziel dieses Projektes ist es, eine neuartige, gleichgewichtsferne Beschreibung von Lichtbögen und deren Wechselwirkung mit den Elektroden bei niedrigen elektrischen Stromstärken und kurzen Bogenlängen zu erarbeiten und eine entsprechende Modellierung durchzuführen. Mittels sorgfältiger Analyse der physikalischen Prozesse und Eigenschaften des Bogenplasmas werden Erkenntnisse über die räumliche und zeitliche Entwicklung insbesondere von Bogenplasmen, deren Bogenlänge sich bis auf wenige Millimeter verkürzt, gewonnen. Die Ergebnisse des Projekts werden in technologischer Hinsicht wertvoll sein. So können z. B. etablierte Verfahren wie das Kurz- und Mikrolichtbogenschweißen, neue Verfahren wie die generative Fertigung mit Lichtbogenschweißprozessen und die Entwicklung von Niederspannungsschaltgeräten von den neuen Erkenntnissen und der Modellierung profitieren.

Gefördert von der DFG

Projektleiter:
Dr. Margarita Baeva
Tel.: +49(0) 3834 554 3823
baevainp-greifswaldde

Laser-induziert Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine etablierte Diagnostik, die in vielen Anwendungen für die Materialanalyse eingesetzt wird. Ein neues Anwendungsgebiet von LIBS ist die Erkundung von Rohstoffen in der Tiefsee. LIBS könnte dazu helfen, nachteilige Effekte auf die Umwelt bei der Rohstofferkundung zu reduzieren, indem zielgenau und mit minimalen Eingriffen aussichtsreiche Lagerstätten gefunden werden. Gemeinsam mit dem Projektpartner Laser Zentrum Hannover werden die physikalischen Prozesse untersucht und wird die Technik optimiert, damit die Diagnostik bei den sehr hohen Umgebungsdrücken in der Tiefsee mit bis zu 60 MPa zuverlässig eingesetzt werden kann. Hierbei ist von besonderem Interesse, wie sich die wesentlichen Prozessparameter auf die erzeugte Gasblase und das Plasma auswirken. Weiterhin gilt es, das Zeitfenster der Emission von Linienstrahlung herauszuarbeiten, die für die Elementanalyse durch LIBS in der Tiefsee von Interesse sind. Mit diesem Wissen sollen Schlussfolgerungen auf die erforderliche Technik, geeignete Auswertemethoden und die erreichbare Genauigkeit für LIBS in der Tiefsee gezogen werden.

Finanziert durch die DFG

Projektleiter:
Dr.Steffen Franke
Tel.: +49(0) 3834 554 3839
steffen.frankeinp-greifswaldde

Die Verengung von Entladungsplasmen ist ein wichtiges physikalisches Phänomen, welches Bedeutung für verschiedene Anwendungen hat. Die grundlegenden Prozesse, die zur Verengung des diffusen Plasmas führen, sind bei den verschiedenen Entladungsarten unterschiedlich ausgeprägt. Im Falle von Glimmentladungen hat es zunehmend Auswirkungen der stufenweisen Prozesse, Annäherung der Elektronengeschwindigkeit an die Gleichgewichtsverteilung, die Erhöhung der Gastemperatur (Thermalisierung) und die Bildung eines dünnen Plasmakanals. Des Weiteren bilden sich lokale Anhaftungen an den Elektroden - Kathoden- und Anodenflecken.

Die Verengungsmechanismen in den Vakuumbögen haben eine andere Funktionsweise. Das Entladungsmedium, welches durch die Verdampfung des Elektrodenmaterials entsteht, ist bereits heiß genug; die Plasmaspezies haben erhebliche Geschwindigkeiten. Außerdem sind die Kathodenflecken bereits zu Beginn der Entladung vorhanden, da sie die Plasmaquelle darstellen. In dieser Situation können zwei Phänomene das Verengungsverhalten beeinflussen, nämlich das selbstinduzierte Magnetfeld und die Elektrodenprozesse (Verdampfung).

Die Lichtbogeneinschnürung hat in verschiedenen Anwendungen unterschiedliche Bedeutung. Dieses Phänomen ist höchst unerwünscht bei Geräten, die mit geringer Leistung betrieben werden Triebwerke, Stufenschalter), Oberflächenbeschichtungsgeräten oder Leistungsschaltern mit axialen Magnetfeldkontaktsystemen. In anderen Anwendungen, wie z.B. bei Leistungsschaltern mit transversalen/radialen Magnetfeldkontaktsystemen und Vakuumfunkenstrecken, ist eine Lichtbogenverengung eine normale Arbeitssituation und damit wünschenswert, sowohl die DFG-Vordruck 53.01- 05/16 Seite 2 von 17 Verengungsverhalten als auch die Lichtbogenbewegung zu kontrollieren, um die lokale thermische Belastung der Elektrode zu reduzieren.

Das vorliegende Projekt widmet sich der Untersuchung von Einschnürungsvorgängen in Hochstrom-Vakuumlichtbögen. Es werden detaillierte Untersuchungen zur Dynamik, zur räumlichen Struktur und zur Ladungszustandsverteilung in der Plasmasäule des Lichtbogens während seiner Verengung durchgeführt. Die Rolle der verschiedenen Faktoren wie Elektrodenmaterial, Geometrie des Entladungsspalts, selbstinduzierte und externe Magnetfelder werden dabei analysiert. Die Parameter des Nachbogenplasmas, insbesondere die Dampfdichte und die Ausdehnung der Kathodenschicht, werden in Abhängigkeit von der Verengungsdynamik und den thermo-physikalischen Prozessen auf der Elektrodenoberfläche untersucht. Die Bildung eines verengten Kanals in Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld wird charakterisiert.

Die Ergebnisse der Untersuchungen können zur Verbesserung der Parameter von Leistungsgeräten beitragen, die auf Hochstrom-Vakuumlichtbögen basieren. Insbesondere für die Schaltanwendungen sind folgende Ergebnisse zu erwarten:

- wissenschaftlich optimierte Elektrodensystemkonfigurationen, die für die Kontrolle sowohl des Verengungsprozesses und der Lichtbogenbewegung unter der Wirkung eines angelegten Magnetfeldes entwickelt.

- neue Konfigurationen von Elektrodensystemen, die auf einer Mischung aus Vakuumschalter und Funkenstrecke basieren, die Bewegung des Lichtbogens von der Lichtbogeninitialisierung bis zum Erlöschen des Lichtbogens, in dem eine effiziente Lichtbogenbeendigung stattfindet.

Finanziert durch den DFG

Projektleiter:
Dr. Sergey Gortschakow
Tel.: +49(0) 3834 554 3820
sergey.gortschakowinp-greifswaldde