Uni Bayreuth erforscht Zündkerze der Zukunft

Mit einer Serie von Laserschüssen soll der klassische Zündfunke im Verbrennungsmotor so „aufgepumpt“ werden, dass leuchtendes Plasma mit einer Hitze von nahezu 100 000 Grad entsteht. Das Plasma kühlt innerhalb von 60 bis 250 Nanosekunden ab und sendet eine Druckwelle aus. Der zurückbleibende heiße Gasball führt schließlich zur Zündung des Treibstoff-Luft-Gemischs. 

Ziel der Forschungsarbeit ist es, den vorteilhaften Einsatz von Laserzündkerzen zu belegen. Diese ermöglichen neue Konzepte, den Kraftstoffverbrauch und den Ausstoß schadstoffhaltiger Abgase zu senken, sagt Sebastian Lorenz. Er leitet die Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse von Prof. Dieter Brüggemann: „Insbesondere die Betreiber von Gaskraftwerken und Automobilhersteller haben ein starkes Interesse daran, den Einsatz von Brenn- und Kraftstoffen wirtschaftlicher und zugleich umweltfreundlicher zu gestalten.“ Die von den Bayreuther Ingenieuren benutzte Technologie bietet hierfür die nötige Alternative zu konventionellen Zündkerzen wie sie jeder Autofahrer kennt.

Mageres Gemisch, höhere Verdichtung

Das neue Forschungsprojekt ist auf drei Jahre angelegt, wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert und von Diplomphysiker Sebastian Lorenz koordiniert. Er erzählt: „Laserzündung in modernen Motoren ist seit 2006 ein Thema für uns. Um das Gemisch magerer zu machen und gleichzeitig stärker zu verdichten, sind im Brennraum höherer Druck und deutlich schnellere Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich. Herkömmliche Zündkerzen können diese Anforderungen nicht erfüllen.“ Die Laserzündung gilt als aussichtsreiche Alternative. Bislang waren die dafür verwendeten Laborlaser jedoch zu groß, zu teuer und technisch anfällig.

Arbeit mit Prototypen

Die Bayreuther Forscher verwenden daher jetzt moderne Laser, die als „passiv gütegeschaltet“ bezeichnet werden. Sie sind sehr robust, halten die Vibrationen eines laufenden Motors sowie hohe Temperaturen aus und sind außerdem vergleichsweise kostengünstig. Diese Laserzündkerzen liegen bislang als Prototypen vor, die von „einem großen Automobilzulieferer zur Verfügung gestellt werden,“ gibt sich Lorenz bewusst geheimnisvoll.

Denn die Forschung an diesem Projekt ist nicht nur zukunftsweisend, sondern weltweit recht exklusiv: „In Deutschland arbeiten kaum Lehrstühle mit diesen Lasern; vor allem Japan ist bei den passiven Systemen weit fortgeschritten,“ begründet Lorenz seine Zurückhaltung. Muss denn bei dieser auch wirtschaftlich bedeutenden Forschungsarbeit keine Spionage befürchtet werden? „Wir machen hier ja Grundlagenforschung, die Anwender arbeiten in der Industrie“ formuliert Lorenz und schiebt dann „eigentlich nicht“ hinterher.

Spitzenforschung in Bayreuth

Dass die Bayreuther Ingenieure bei diesem Projekt international ganz vorne mitarbeiten, zeigt die Tatsache, dass der 29 Jahre alte Sebastian Lorenz im April 2014 in Yokohama bei einem wissenschaftlichen Kongress zum Thema Laserzündung für seinen Beitrag über durch Laserimpulse erzeugtes Plasma mit dem „Young Scientist Award“ ausgezeichnet wurde.

In Japan ist im vergangenen Jahr schon einmal ein mit der neuen Zündtechnik ausgerüstetes Auto gefahren. Ein US-amerikanischer Forscherkollege von Lorenz konnte nachweisen, dass die Laserzündung die Chance bietet, stickstoffhaltige Abgase um bis zu 70 Prozent zu senken. Der Bayreuther Forscher sieht allerdings noch fünf bis zehn Jahre Arbeit vor sich, ehe Laserzündkerzen für den Alltagseinsatz in Großserie hergestellt werden können.

Wesentlich schneller könnte ihr Einsatz in Gaskraftwerken erfolgen. Auch dort halten Zündkerzen die Motoren in Gang: „Eine dieser Zündkerzen kostet einige hundert Euro und muss in regelmäßigen Intervallen ersetzt werden.“ Schon kleine Verbesserungen der Effizienz bringen den Kraftwerksbetreibern höhere Einnahmen und können den CO2-Ausstoß senken. „Es kommt auch auf den Druck der Politik und die Preisentwicklung an, wie schnell die Entwicklung der Laserzündkerzen vorangetrieben wird.“

Info: Sebastian Lorenz stammt aus Schwarzenbach a.d. Saale und hat in Bayreuth studiert. Die Arbeit an der Laserzündkerze ist Teil seiner Doktorarbeit. Sieht er nach der Uni Karrierechancen für sich in Oberfranken? „Wer aus der Region kommt, für den ist es einfacher hier zu bleiben“, sagt er. Eine endgültige Entscheidung will er aber erst nach Abschluss seiner Forschungsarbeit treffen.