Das Institut für Mikrowellen- und Plasmatechnik (IMP) entwickelt neue Plasmazündkerze für sparsamere Benzinmotoren .

Im Labor des 
IMP zeigt Institutsdirektor Prof. Holger Heuermann, wie ruhig und zuverlässig die neue Plasmazündkerze selbst
 bei hoher Frequenz arbeitet.

Tick. Tick. Tick. Mit bloßem Auge sind die Zündfunken der Plasmazündkerze zu sehen. Prof. Dr. Holger Heuermann dreht am Regler. Tickticktick. Die Frequenz ist höher, an der Spitze der Zündkerze immert das Plasma rosa-violett. Noch ein Dreh am Regler, die Zündfrequenz steigt, die Tonhöhe auch. "Hören Sie, wie sauber der Ton ist?", fragt Prof. Heuermann. Die Zündkerze, die er mit seinem Team im Labor des Instituts für Mikrowellen- und Plasmatechnik (IMP) der FH Aachen entwickelt hat, steht kurz vor der Markteinführung. Den entscheidenden Test hat sie bestanden: "Wir können bei einem Druck von 40 bar zuverlässig und sauber zünden", erläutert der Wissenschaftler. Nach mehr als zehn Jahren und mit nur drei finanzierten Mannjahren an Forschungsarbeit ist der Weg frei für sparsamere und sauberere Automotoren.

Noch vor wenigen Jahren galten benzinbetriebene Aggregate als nicht zukunftstauglich, da der Spritverbrauch höher als bei vergleichbaren Dieselmotoren war. Die Diskussion um Stickoxid- und Feinstaubemissionen, um Gesundheitsschäden und Fahrverbote hat dem Benzinmotor Aufwind verschafft. Damit rückt auch die Aufgabe, diesen Motorentyp sparsamer zu machen, wieder ins Zentrum. Forscherinnen und Forscher beschäftigen sich schon lange mit der Frage, ob dieses Ziel erreicht werden kann, indem man ein relativ "mageres" Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Verbrennung im Zylinder nutzt. Dadurch sinkt der Verbrauch, es bilden sich weniger Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Für eine nachhaltige Gesundheit

Allerdings ist der Gasdruck höher, zudem ist ein mageres Gemisch schwerer zu entzünden. Eine herkömmliche elektrische Zündkerze ist daher beim Magerbetrieb nicht einsetzbar – durch die erhöhte Beanspruchung wäre der Verschleiß zu groß. Hier kommt die Zündkerze ins Spiel, die Prof. Heuermann auf der Basis seiner Plasmatechnologie entwickelte. In der Druckkammer des IMP-Labors funktioniert sie bei bis zu 40 bar Druck zuverlässig. Auch auf dem Prüfstand zeigt die Zündkerze, was in ihr steckt: "Wir haben gemeinsam mit unserem Projektpartner Weissgerber Engineering einen Zweizylindermotor umgerüstet", berichtet der FH- Wissenschaftler. "Ein Zylinder ist mit einer herkömmlichen Zündkerze ausgestattet, der andere mit unserer Plasmakerze. Und der Zylinder mit der neuen Kerze läuft wesentlich ruhiger." Der nächste Schritt ist, einen Automotor entsprechend umzurüsten. Bis zur Markteinführung im Automobilbereich können allerdings noch gut zehn Jahre vergehen. "Die Qualitätssicherung in der Industrie ist sehr aufwendig", sagt Prof. Heuermann, "es wird kein Teil in der Produktentwicklung eingeplant, das nicht auf Herz und Nieren durchgetestet worden ist."
Allerdings gibt es andere Felder, in denen die neue Plasmazündkerze schneller zum Zuge kommen könnte, wie etwa im Motorsport, wo Weissgerber Engineering seit vielen Jahren aktiv ist. Hier ist jeder Effizienzgewinn Gold wert. Eine Zündkerze, die eine höhere Verdichtung erlaubt und trotzdem zuverlässig zündet, könnte daher bei vielen Rennställen Begehrlichkeiten wecken. Ein anderes Einsatzgebiet sind große stationäre Erdgasmotoren, etwa in Blockheizkraftwerken. Hier kann man einen extremen Magerbetrieb wegen des gleichmäßigen Lastprofils am besten umsetzen. Und schließlich sieht Prof. Heuermann auch Potenzial bei kombinierten Zünd-/ Glühkerzen, die den Weg für sogenannte "Multi-Fuel"-Lösungen ebnen könnten, also den Einsatz verschiedener Brennstoffe in einem Motor.

Was aber steckt hinter der Plasmatechnologie, auf der die neu entwickelte Zündkerze basiert? Mit dem Begriff Plasma bezeichnet man in der Physik ein Gas, das teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern besteht, also aus Ionen oder Elektronen. 99 Prozent der sichtbaren Materie im Universum bestehen aus Plasma. Natürliche Plasmen auf der Erde findet man etwa in Blitzen, auch Flammen sind plasmaähnlich. Bei der Zündkerze wird der Zündfunke durch eben dieses Plasma gebildet, optisch erkennbar am rosa-violetten Flimmern.

Plasma als Basistechnologie

"Wir reißen die Elektronen aus den Molekülen heraus", erläutert Prof. Heuermann, genutzt werden dafür Frequenzen im Mikrowellenbereich mit 2,45 Gigahertz. Der Kern der Entwicklung ist die Ansteuerelektronik. 2016 war dem FH-Forscherteam der Durchbruch gelungen, als sie es erstmals schafften, einen vollständigen Integrierten Schaltkreis (engl. Integrated Circuit, kurz IC) auf einem zweimal zwei Millimeter großen Chip unterzubringen. Diese Elektronik sorgt jetzt in der Zündkerze dafür, dass die für die Plasmaerzeugung nötigen Frequenzen bereitgestellt werden. "Wir können eine Bandbreite von etwa 80 Megahertz innerhalb des Mikrowellenspektrums nutzen", sagt Prof. Heuermann. "Damit kann die Frequenz variiert werden, um eine möglichst hohe Energieaufnahme und damit eine effiziente Plasmaerzeugung zu gewährleisten." Die ICs messen die tatsächlich anfallenden Signale und vergleichen sie mit einem Referenzsignal, in einer Rückkopplungsschleife wird die Frequenz angepasst.

Der FH-Forscher vergleicht die Plasmatechnologie gern mit dem Laser. Er setzte sich erst dann durch, als die Ansteuerung durch ICs eine kostengünstige Produktion ermöglichte. "Für viele Einsatzzwecke ist Plasma besser geeignet als Laser", betont Prof. Heuermann. Zum Beispiel könnte in Operationssälen und Intensivstationen die Luft mit Plasma von Keimen befreit werden. Auch lässt sich mit einem Plasma große Hitze punktgenau aufbringen, etwa bei der Reinigung von Oberflächen in industriellen Produktionsprozessen. Mikrowellen-Skalpelle, Beamerlampen, das Härten von Glas, der Einsatz im Bereich Rapid Prototyping – die Liste der Einsatzmöglichkeiten ist lang. Derzeit laufen mehrere Forschungsprojekte am IMP, um plasmabasierte Produkte zur Marktreife zu bringen. Sorgen bereitet Prof. Heuermann lediglich der Nachwuchsmangel. "Immer weniger Leute studieren Nachrichtentechnik", sagt er, "dabei sind die Jobchancen in Forschung und Entwicklung hervorragend." Das Thema Plasma beschäftigt den FH-Wissenschaftler schon seit Langem. "Zwölf Jahre hat es gedauert, bis wir das Patent für die Zündkerze bekommen haben", erzählt Prof. Heuermann. "Wenn wir in Deutschland bei Innovationen führend sein wollen, dann müssen wir Entwicklungen aus der Forschung schneller zur Marktreife bringen." Die bundesweite Initiative der Hochschulen für angewandte Wissenschaften zur Gründung einer deutschen Transfergesellschaft, die sich genau das zum Ziel gesetzt hat, begrüßt er daher ausdrücklich. "Das deutsche Innovationssystem weist auf dem Weg von der Erfindung über die Anwendungsidee bis zum innovativen Produkt eine Förderlücke auf". Ziel der Innovationsforschung müsse ein wirtschaftlich nutzbares Produkt sein. So wie die neue Plasmazündkerze.

Ein Beitrag der FH Aachen


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