Forscher setzen auf Glasfaser zur Detektion von Leckagen

Überall wo mit Wasserstoff gearbeitet wird, er gelagert, transportiert und weitergeleitet wird, dürfen entsprechende Sicherheitsvorkehrungen nicht fehlen. Obwohl Wasserstoff nicht giftig ist, er weniger wiegt als Luft und somit nach oben steigt, kann es zu gefährlichen Situationen kommen, wie das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik in einer Meldung vom 1. April betont. Zusammen mit Forschenden des Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) arbeiten sie an glasfaserbasierten Sensoren, die durch Leckagen entwichenen Wasserstoff aufspüren sollen. 

Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anführen, besteht bei Wasserstoff unter bestimmten Bedingungen eine höhere Explosionsgefahr: Überschreitet die Wasserstoffkonzentration in der Luft einen Schwellenwert von 4 %, was bei ausreichend Druck in einem Wasserstofftank oder bei mangelnder Belüftung eines Raumes schnell erreicht werden kann, genügt eine kleine Zündquelle, um eine Explosion auszulösen.

Besondere Sensorik zur Detektion sei gefragt, wie Günter Flachenecker vom Fraunhofer HHI erklärt. "Herkömmliche Sicherheitssensoren, die zur Erfassung von Wasserstoff derzeit kommerziell verfügbar sind – das sind in der Regel katalytische Wärmetönungssensoren oder elektrochemische Zellen –, benötigen eine elektrische Stromversorgung", so der Physiker.

Keine aufwändige Verkabelung mehr nötig

Herkömmliche Sensoren könnten, wenn das Gerät oder die elektrischen Zuleitungen einen Defekt aufweisen, im schlimmsten Fall selbst als Zündquelle die Explosion auslösen, die sie eigentlich verhindern sollten, so Flachenecker weiter. Zusammen mit seinen Forschungskollegen forscht der Physiker an Möglichkeiten zur Wasserstoffdetektion mithilfe von Glasfasersensoren. Bei diesen bestünde diese Gefahr nicht. "Gleichzeitig müssen sie nicht aufwendig verkabelt werden, sind klein und lassen sich gut in verschiedenste Strukturen der zu überwachenden Anlage oder des Fahrzeugs integrieren", sagt Flachenecker.

Lichtleitende Glasfasern seien aufgrund ihres geringen Durchmessers von etwa einem Viertel Millimeter und ihrer Robustheit geradezu prädestiniert für sensorische Applikationen in einer sicherheitsrelevanten Umgebung. Damit eine Glasfaser zum Wasserstoffsensor wird, modifizieren sie die Forscher an verschiedenen Stellen.

Hierfür prägen sie zunächst mit einem Laser bestimmte Strukturen in den Glasfaserkern ein, sodass ein sogenanntes "Faser-Bragg-Gitter" entsteht − eine periodische Brechungsindexmodulation. Diese soll dafür sorgen, dass Licht bei einer bestimmten Wellenlänge reflektiert wird. 

Dass die Glasfaser nun speziell auf Wasserstoff reagiert, erreichen die Forschenden, indem sie rund um den Glasfasermantel eine spezifische funktionelle Beschichtung auftragen: Flachenecker: "Wir arbeiten mit katalytischen Schichten, zum Beispiel Palladium oder Palladiumlegierungen". Dieses chemische Element habe die Eigenschaft, dass es Wasserstoff aufsaugt, ähnlich wie ein Schwamm.

"Sobald die beiden Stoffe aufeinandertreffen, zerfällt der Wasserstoff in seine atomaren Fragmente und die freigesetzten Wasserstoffatome dringen in das Kristallgerüst des Palladiums ein. Dies führt zu einer Dehnung in der Glasfaser, die sich über das eingebaute Faser-Bragg-Gitter augenblicklich als Veränderung in den rückgemeldeten Lichtimpulsen messen lässt", führt der Forscher aus. Sobald die Wasserstoffkonzentration in der Luft wieder abnehme, löse sich der Wasserstoff auch wieder aus dem Palladium. Die Beschichtung trage dadurch also keinen Schaden davon und der Sensor lasse sich wiederverwenden. Gleichzeitig funktioniere der beschriebene Vorgang nur, weil Wasserstoffatome sehr klein sind, betont Flachenecker. Andere Stoffe können auf diesem Wege nicht in die Palladiumschicht eindringen. 

Leichte Umsetzung in der Praxis angedacht

Die Forschenden sehen ihre Glasfasersensoren etwa als integraler Bestandteil von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb und zur Überwachung von Wasserstofftankstellen, Autowerkstätten oder Elektrolyseuren. Auch der Aufbau eines größeren Sensornetzwerks, das eine Wasserstoff-Infrastruktur an vielen Stellen gleichzeitig überwacht, ließe sich nach Ansicht der Forschungspartner umsetzen.

Die Elektronik für die Messdatenaufnahme, also etwa ein Spektrometer für die optische Auswertung der Glasfasersensoren, kann räumlich beliebig weit entfernt an einem sicheren Ort installiert sein. Wird eine bestimmte Wasserstoffkonzentration überschritten und der Sensor schlägt an, so wird das je nach konkretem Anwendungsfall angebundene Alarmmanagement ausgelöst. Maßnahmen, wie etwa ein akustisches Warnsignal, das Schließen von Ventilen oder das Öffnen von Fenstern könnten dann in Sekundenschnelle eingeleitet werden.