Atmosphärenforschung

Das synthetische Quarzglas Lithosil® eignet sich aufgrund seiner Materialeigenschaften sehr gut für Laserapplikationen sowie Medizin-, Mess- und Umwelttechnik. (Foto: SCHOTT/J. Meyer)
Oliver Hahr

Spurensuche über den Wolken

Mit hochreinem synthetischen Quarzglas von SCHOTT LITHOTEC erkunden Forscher die Atmosphäre.

„Höher, weiter, größer” – der Traum der Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) wird voraussichtlich Mitte 2009 in Erfüllung gehen. Dann startet »HALO« (High Altitude and LOng Range Research Aircraft) zur ersten Mission. Der zum Forschungsflugzeug umgebaute Ultra-Long Range Business Jet G 550 der Firma Gulfstream Aerospace kann mit einer Reichweite von mehr als 9.000 Kilometern alle Gebiete erreichen – von den Polen bis zu den Tropen und selbst abgelegene Regionen im Pazifik. Erstmals können die Atmosphärenforscher mit HALO in bis zu 15,5 Kilometer Flughöhe arbeiten. Damit wollen sie die chemischen und physikalischen Prozesse in der Troposphäre, Tropopause und Stratosphäre untersuchen. Am bisherigen Forschungsflugzeug, einer Dassault Falcon 20 E, testen die DLR-Forscher daher bereits heute eines ihrer wichtigsten Messinstrumente: das »Lidar« zur Messung von Wind-, Ozon- und Wasserdampf. Um das Lidar einsetzen zu können, wurde ein Laserfenster aus dem hochreinen synthetischen Quarzglas (SiO2) Lithosil® von SCHOTT LITHOTEC in die Flugzeugwand eingelassen.
Welche Auswirkungen Flugzeugabgase auf die Atmosphäre haben, untersuchen die Wissenschaftler an Bord des DLR-Forschungsflugzeugs »Falcon«. (Foto: DLR)
Messen mit Laserpulsen

Lidar steht für »light detection and ranging« und ähnelt einem Radarsystem. Statt Radiowellen werden Laserpulse in die Atmosphäre gesendet. Die reflektierte Strahlung wird ausgewertet. Aus der Laufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit wird die Entfernung zum Ort der Streuung berechnet. Auch Zustandsparameter und die Konzentration von Spurengasen lassen sich über die für verschiedene Moleküle spezifische Streuung bestimmen. Voraussetzung für die fehlerfreie Lidar-Messung ist, dass hochreines optisches Glas die Laser und Detektoren im Inneren des Flugzeugs von der Atmosphäre trennt. Das synthetische Quarzglas Lithosil® erfüllt diese Bedingung. Es bietet aufgrund der Herstellung einen viel höheren Reinheitsgrad als das aus bergkristallinen Rohstoffen erschmolzene Quarzglas. Lithosil® besitzt eine sehr hohe Homogenität und ist frei von Blasen oder Einschlüssen. Durch thermische Umformprozesse können großformatige optische Gläser gefertigt werden, z.B. für das Lidar-Fenster mit etwa einem halben Meter Durchmesser. Neben der Lasertechnik gelten die Medizin-, Mess- und die Umwelttechnik als Wachstumsmärkte für synthetisches Quarzglas. Neue Lidar-Technologien, wie sie von der DLR zur Vermessung von Wind-, Ozon- und Wasserdampfprofilen vor allem für den Bereich Luft- und Raumfahrt entwickelt und erprobt werden, erobern neue Anwendungsgebiete. So werden Lidar-Systeme zunehmend zur Detektion von Turbulenzen und Scherwinden im Nahbereich moderner Passagierflugzeuge verwendet. Die Systeme unterstützen außerdem bei der Überwachung der Emissionen von Fabrikschornsteinen, messen die Geschwindigkeit von Fahrzeugen für die Polizei und dienen als Laser-Entfernungsmesser in Handwerk, Bau- und Vermessungswesen.