sb-wettbewerb_kleinDieser Artikel ist Teil des ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2018. Informationen zum Ablauf gibt es hier. Leserinnen und Leser können die Artikel bewerten und bei der Abstimmung einen Preis gewinnen – Details dazu gibt es hier. Eine Übersicht über alle am Bewerb teilnehmenden Artikel gibt es hier. Informationen zu den Autoren der Wettbewerbsartikel finden sich in den jeweiligen Texten.
——————————————————————————————————————
Das Geheimnis der drucksensitiven Farbe

von Antonia B.

Ich bin eine 17-jährige wissenschaftsbegeisterte Schülerin aus Stade. In meiner Freizeit tanze ich leidenschaftlich gerne und fahre Rennrad.

Die heutige Zeit ist voller erstaunlicher Technologien, manche so außergewöhnlich, dass es schwer ist, an ihre Existenz zu glauben. Eine ist die drucksensitive Farbe (engl. Pressure Sensitive Paint (PSP)) zum Messen von Druckverhältnissen. Aber STOPP!! Eine Farbe, welche Luftdrücke messen kann? Wie soll das denn bitte funktionieren? Genau das möchte ich in diesem Blogeintrag erklären. Also bleib dran :)

Für die Entwicklung von Flugzeugen und auch Autos ist es wichtig, ihre aerodynamische Wirkung zu kennen. So kann Treibstoff gespart werden und der Flug in den Traumurlaub wird billiger. Hier kommt die drucksensitive Farbe ins Spiel, sie ändert durch Lumineszenzauslöschung (keine Angst, hier komme ich später wieder drauf zurück) ihre Leuchtintensität, sobald Luftdruck auf sie wirkt. Früher wurden diese Messungen mit Hilfe von Druckmessbohrungen vorgenommen, ihr Nachteil ist allerdings, dass durch die Bohrungen die Oberfläche und somit die aerodynamische Wirkung von beispielsweise einem Flugzeugflügel verändert wird. Gleichzeitig ist diese Druckmessung nur punktuell und nicht, wie die PSP flächig. Das ist ja alles schön und gut, aber wie funktioniert dies alles?

Schon mal von Lumineszenz gehört?

Dies ist die Grundlage für die Funktion der drucksensitiven Farbe. Lumineszenz ist ein physikalischer Prozess, bei dem Luminophoren (Farbstoffmoleküle) durch Energiezufuhr Licht abgeben. Die Lumineszenz ist ein Prozess aus Phosphoreszenz oder Fluoreszenz; beides sind lichtabgebende Prozesse. In den Messungen mit der drucksensitiven Farbe wird UV-Licht zum Bestrahlen der Farbe verwendet. Sobald die Photonen des UV-Lichts auf die Elektronen der Luminophoren treffen, geben diese ihre gesamte Energie an die Elektronen des Moleküls ab. So werden diese von ihrem energetischen Grundzustand S0 auf ein höheres Energieniveau S2 gebracht. Allerdings streben sie von Natur aus ein tieferes Energieniveau an. Jetzt kommt es darauf an, ob die Elektronen wieder getroffen werden, wenn sie nämlich nicht getroffen werden, gelangen sie auf das Energieniveau S1. So kommt durch den Prozess des Internal Conversion die Fluoreszenz zustande. Sobald das angeregte Elektron von einem weiteren Elektron getroffen wird, ändert es seine Drehrichtung und erreicht ein niedrigeres Energieniveau T1. Dieses Leuchten ist deutlich länger, aber dafür viel schwächer. Dieser Übergang heißt Intersystem Crossing. Dies ist die Phosphoreszenz. Schau dir jetzt bestenfalls noch das eingefügte Jablonski-Diagramm an 😉

Dies ist eines der wunderschönen Bilder, welche bei einem Versuch zur Lumineszenz in der Schule entstanden sind

Dies ist eines der wunderschönen Bilder, welche bei einem Versuch zur Lumineszenz in der Schule entstanden sind

Aber was hat das denn jetzt alles mit Luftdruck und einer Farbe zu tun?

Das war ja nur die Vorbereitung, jetzt wird es erst richtig spannend.
Wenn du dir das Jablonski-Diagramm angeschaut hast, liest du zweimal neben den Wörtern Fluoreszenz und Phosphoreszenz „Quenching“. Dies ist die Lumineszenzauslöschung. Wenn Sauerstoff durch die Oberfläche zu den Luminophoren diffundiert, findet keine Lumineszenz statt. Dabei werden diese nicht zerstört, der Prozess ist also reversibel. Sobald der Quencher (hier der Sauerstoff) nicht mehr zu den Luminophoren gelangt, findet wieder Lumineszenz statt. Gleichzeitig solltest du wissen, dass bei erhöhtem Luftdruck auf eine Stelle des Modells hier auch der Sauerstoffgehalt steigt. Je höher also der Druck ist, desto höher ist die Sauerstoffkonzentration und desto höher die Lumineszenzauslöschung. Dies führt dazu, dass an dieser Stelle auch das Leuchten schwächer wird.

Dieses Jablonski Diagramm habe ich an den Text angepasst selber gezeichnet

Dieses Jablonski Diagramm habe ich an den Text angepasst selber gezeichnet

Interessant, aber wie misst man mit ihr?

Ich beziehe mich im Folgendem auf eine Messung mit einem Flugzeugflügel:
Die gesamte Messung findet in einem Windkanal statt, in diesen darf ausschließlich das beabsichtigte UV-Licht gelangen. In dem Windkanal ist das Modell des Flugzeugflügels befestigt. Es ist so befestigt, dass der Anstellwinkel verändert werden kann. Schließlich soll ja die gesamte aerodynamische Wirkung untersucht werden, also auch beim Start und bei der Landung. In dem Windkanal sind sogenannte CCD-Kameras angebracht, dies sind Kameras mit guter räumlicher Auflösung sowie hoher Lichtsensitivität. Mit diesen kann das schwache Fluoreszenzlicht optimal aufgenommen werden, um genaue Messergebnisse zu erlangen. Da nur das abgegebene Fluoreszenzlicht der Wellenlänge 425nm-600nm aufgenommen werden soll, ist vor der Kamera ein optischer Filter angebracht.
Bevor die drucksensitive Farbe mit einer Drucksprühpistole auf das Modell aufgetragen werden kann, müssen auf dieses zuerst eine weiße Isolierschicht und zwei weitere Kontaktschichten aufgetragen werden. Die Isolierschicht dient dazu, die Farbe unabhängig vom Material des Modells zu machen, die Kontaktschichten ermöglichen durch molekulare Wechselwirkungen das Haften der Farbe. Die Farbe selber besteht aus einer transparenten Polymerschicht (Binder), in welchem die Luminophoren eingeschlossen sind. Obwohl die Luminophoren in einer Polymerschicht eingeschlossen sind, funktioniert das Quenchen der Luminophoren, da der Sauerstoff leicht durch die Schicht hindurchdiffundieren kann. Diese Schicht ist nur 50 Mikrometer dünn, weshalb es Übung braucht, diese aufzutragen. Gleichzeitig muss sie überall gleichmäßig dünn aufgetragen sein, da sonst die Messergebnisse verfälscht würden. Auf die Farbe werden zum Schluss noch Positionsmarkierungen gesetzt, um die entstanden Bilder später zu kalibrieren. Nun kann die Messung starten!

Hier seht ihr die drucksensitive Farbe im Einsatz bei der NASA  ( Urheber: NASA, public domain)

Hier seht ihr die drucksensitive Farbe im Einsatz bei der NASA ( Urheber: NASA, public domain)

Während der Messung sind mehrere Rechner im Einsatz. Das Datenerfassungs- und Auswertesystem (DEAS) steuert die Versuchsparameter im Windkanal. Dies sind Ruhedruck, Temperatur, Anstellwinkel, und Machzahl. Die Machzahl gibt das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit wieder. Die Schallgeschwindigkeit hängt jedoch von der Temperatur ab und somit muss diese vorher errechnet werden. Ein zweiter Rechner steuert das Auslösen der Beleuchtungsquellen und die hochgenaue Erfassung der Bilder durch die CCD-Kamera. Die so erfassten Daten werden zuerst aufbereitet und an einen leistungsstarken Rechner weitergeleitet. Hier wird eine Kalibrierung der Daten, welche herkömmlich gemessen wurden, mit denen mit der drucksensitiven Farbe erfassten, durchgenommen. So kann zuerst ein zweidimensionales und später dreidimensionales Bild am Computer erstellt werden. Anhand dieser Bilder können Druckzustände und Verwirbelungen erkannt werden und beispielsweise Flugzeugflügel optimiert werden.

Wer hätte bloß gedacht, dass dies alles mit einer Farbe möglich ist? Oder, dass so eine Methode überhaupt schon existiert. Ich hatte es zuerst auch nicht für möglich gehalten und finde ihre Wirkungsweise hochspannend. Also, wenn du demnächst zufällig in ein Gespräch mit einem Technikmuffel verwickelt sein solltest, bringe diese Person ruhig zum Staunen mit deinem neu erworbenen Wissen 😉

Kommentare (20)

  1. #1 SkeptikSkeptiker
    12. September 2018

    Sehr angenehm zu lesen. Der Inhalt kommt locker und sympatisch rüber.

  2. #2 Karl-Heinz
    12. September 2018

    Für mich ist dieser Beitrag ein Wow!-Artikel. 😉

  3. #3 Peter Paul
    12. September 2018

    Wirklich ein sehr interessanter Beitrag. Gratuliere!
    Aber einiges, vor allem an deinem Diagramm ist mir so noch nicht verständlich :

    1. Nach oben ist wohl die Energie aufgetragen, stimmt´s?
    2. Aber wieso sind die Energie-Niveaus aufgespalten ? Wäre dazu nicht ein Magnetfeld nötig?
    3. Die beiden grauen Pfeile gehen jeweils von einem untersten Niveau, das gar nicht besetzt ist, denn die Absorption (grüner Pfeil) führt ja zu einem anderen Niveau zu Besetzung, zu dem zweit obersten Niveau. Wieso?
    4. Die roten und blauen Pfeile gehen wieder von einem unbesetzten Niveau, ich habe das Gefühl, irgendwo hin.
    5. Diese Pfeile zeigen doch die Energie-Abgabe des Elektrons, weil sie ja von oben nach unten gehen, aber ich dachte, beim Quenshing wird das gerade verhindert.

    Also kurz: Das Diagramm ist mir sehr unklar. Vielleicht könnte ich da noch ein wenig Nachhilfe gebrauchen.

  4. #4 SkeptikSkeptiker
    12. September 2018

    Peter Paul – “ein wenig Nachhilfe gebrauchen”
    Ist das jetzt eine Art “Anbaggern”? 😉

  5. #5 schlappohr
    12. September 2018

    Gefällt mir gut, ein sehr schöner und sachlich geschriebener Text. Wieder etwas gelernt.
    Ein paar Verbesserungsvorschläge:

    – Woraus bestehen die Lumiophoren?
    – Beim ersten Bild solltest Du noch erklären, *was* man dort sieht (flüssige Farbe unter UV-Licht, warum leuchtet die Flüssigkeit im Glas heller?)
    – Wie genau funktioniert das Quenching? Bleiben die Elektronen im S1-Niveau und warum, oder geben sie die Energie in einer anderen Wellenlänge ab, die nicht optisch sichtbar ist und warum?
    – Wenn es ein Paper wäre, würden die Reviewer kritisieren, dass Du keine Referenzen angegeben hast. Vielleicht interessiert sich jemand für das Thema und möchte mehr darüber wissen. Referenzen sind daher immer wichtig.

    Ansonsten: Thumbs up :-) Finde ich toll, wenn sich Jugendliche so tief in ein Thema einarbeiten und das so gut rüberbringen können.

  6. #6 Max
    12. September 2018

    Wieder was dazugelernt. Drucksensitive Farben haben meinen Horizont erweitert, danke für den Artikel.

  7. #7 Ursula
    12. September 2018

    Wieder etwas gelernt! Danke!
    Die sprachliche Qualität des Beitrages ist sehr gut, die Erklärungen leicht verständlich.
    Das Jablonski – Diagramm muss ich mir noch genauer anschauen.
    Drucksensitive Farben, was es nicht alles gibt!
    Ich freue mich immer sehr. wenn ich etwas lesen darf, was mich dermaßen fasziniert und begeistert.

  8. #8 Dampier
    12. September 2018

    Hallo Antonia,
    ein interessantes Thema, das war mir völlig neu. Ich fürchte aber, ich habe noch nicht alles verstanden.

    Sobald die Photonen des UV-Lichts auf die Elektronen der Luminophoren treffen, geben diese ihre gesamte Energie an die Elektronen des Moleküls ab.

    Von welchem Molekül ist hier die Rede?

    Im entscheidenden Teil rauschst du etwas schnell durch mit deinen Erklärungen. Der Teil mit den Energieniveaus sowie das Diagramm kommen für mich ein bisschen kurz. Ich als Laie musste hier passen.

    GANZ wichtig: billige Flüge sind nichts Erstrebenswertes!

    So kann Treibstoff gespart werden und der Flug in den Traumurlaub wird billiger.

    Im Gegenteil ist Fliegen schon heute viel zu billig und es wird höchste Zeit, dass die Umweltschäden der Fliegerei in den Ticketpreis mit eingerechnet werden.

    Treibstoff sparen ist natürlich immer eine feine Sache :))

  9. #9 tomtoo
    12. September 2018

    @Antonia
    Vielen Dank! Spannender Artikel. Wie schnell reagieren diese Farben auf Druckunterschiede?

  10. #10 aristius fuscus
    12. September 2018

    Das gute alte Jablonski-Diagramm, da werden Erinnerungen wach. Schon allein deswegen gefällt mir der Text, abgesehen davon, dass er in der Tat sehr gut geschrieben ist. Ich bin mal so frei, ein paar Anmerkungen zu den Fragen der Mitforisten zu machen:

    @PeterPaul: die Striche über den Grundzuständen bezeichnen Schwingungsniveaus des Moleküls, die Energiezustände sind nicht elektronisch aufgespalten. Antonia hat darauf verzichtet, die Übergänge von den angeregten Schwingungszuständen in den Schwingungsgrundzustand einzuzeichnen, vermutlich weil diese Übergänge sehr schnell sind (Picosekunden), während die Übergänge zwischen den Elektronenzustände sich im Nanosekundenmassstab abspielen (S1-S0) oder sogar im Millisekundenbereich (T1-S0).

    @ schlappohr: ich vermute, dass die Basis der Luminophoren Porphyrinmoleküle sind, die haben günstige Energiedifferenzen zwischen dem S0- und T1-Zustand.
    Für das Quenching gibt es unterschiedliche Mechanismen. Da hier ausdrücklich vom Sauerstoff als Quencher die Rede ist, vermute ich, dass das Quenching hier über den T1-Zustand läuft. Sauerstoff liegt im Grundzustand nicht als S0 sondern als T0 (Triplettzustand) vor, so dass es sehr effektiv das Intersystem crossing vom S1 zum T1-Zustand des Farbstoffmoleküls fördert. Dieser Übergang ist spinverboten, so dass er ohne Anwesenheit von Sauerstoff sehr ineffektiv ist. Der Sauerstoff bildet jetzt mit dem Farbstoffmolekül einen Übergangskomplex, wodurch die Spinübergänge jetzt erlaubt sind.

  11. #11 Jolly
    12. September 2018

    @tomtoo

    Wie schnell reagieren diese Farben auf Druckunterschiede?

    “Unter statischen Bedingungen konnte eine Auflösung von ca. ± 1,5 mbar mit einer Antwortzeit von 0,5 s erreicht werden. Für instationäre Messungen wird derzeit an der Entwicklung „schnellerer” Farben gearbeitet.”

    (Quelle DLR)

  12. #12 tomtoo
    12. September 2018

    @Jolly
    Danke!

  13. #13 Mars
    12. September 2018

    @Dampier

    das mit den billigeren flügen ist mir auch sofort aufgefallen.
    wollte das aber nicht sofort ansprechen .. ist ein anderes – sehr wichtiges – thema

    aber sonst ist das ein interessantes thema. gut fand ich den hinweis, dass man es bisher mit den druckröhrchen gemacht hat (sowas kenn ich noch vom studium) aber weiterentwicklung in dem bereich ist wichtig, wegen der punktuellen beeinflussung der messung.

    das erste mal, als ich mit veränderlichen farben konfrontiert wurde, war in der mechaniker-lehre, beim heissmachen (nicht anbaggern) von materielien auf eine bestimmte temperatur – mit thermochromfarben: ist aber eine ganz anderer wirkmechanismus

    gut gemacht

  14. #14 RPGNo1
    12. September 2018

    Ein spannendes Thema, welches mir so noch nicht bewusst war. Dafür schonmal ein Danke.

    Und jetzt kommt die Manöverkritik: Der Schreibstil ist für meinen Geschmack etwas zu locker-flapsig. Er ist vielleicht gut, um Kinder oder Jugendliche anzusprechen und für das Thema zu interessieren. Als etwas älteres Semester komme ich jedoch nicht ganz damit zurecht und bevorzuge eine mehr sachlichere Darstellung.

  15. #15 bruno
    12. September 2018

    Bislang mein Favorit! : )
    @RPG#1 +1

    Der Artikel gefällt mir – ich würde ein solches Blog auch lesen … die Ansprache taugt mir allerdings auch nicht – ist halt Geschmackssache.
    Aber: Gut gemacht!!

  16. #16 Theresa
    12. September 2018

    Der Artikel ist sehr interressant aber etwas mehr Sachlichkeit fände ich – obwohl ich jünger bin als du(also keine Frage des Alters 😉 ) – gut. Aber das Thema ist spannend – noch nie darüber nachgedacht aber vielleicht eine Idee für meine Diplomarbeit in der Schule :)

  17. #17 stone1
    12. September 2018

    Drucksensitive Farben waren mir auch neu. Danke für einen gut zu lesenden Artikel, ich fand den Stil okay. Das Jablonski-Diagramm wurde ja schon in den Kommentaren näher erläutert, so soll es bei einem Blogartikel sein. Dass Referenzen und Tipps zum Weiterlesen nicht geschadet hätten wurde auch schon erwähnt, dennoch gut gemacht!

  18. #18 René
    14. September 2018

    Der Stil ist Geschmacksfrage und mir war hier nix zu flapsig. Der Inhalt war auch sehr gut. Drucksensitive Farben hatte ich auch noch nicht gehört, daher sogar viel gelernt und ein herzliches Dankeschön an die Autorin. Allerdings kamen auch mir einige Erklärungen etwas zu kurz. Gern hätte ich erfahren, aus was so eine Farbe eigentlich besteht und warum genau dieser Stoff eine Lumineszenz aufweist.
    Das ist aber Kritik auf hohem Niveau. Insgesammt war es ein guter leicht und flüssig zu lesender Beitrag und verdient ein großes *Thumps up*.

  19. #20 Antonia B
    18. September 2018

    Hallo an alle, welche meinen Beitrag gelesen und kommentiert haben!

    Vielen Dank für die ganze positive Resonanz, es freut mich, dass mein Blogbeitrag so gut ankommt.

    Dass manche meinen eher lockeren Schreibstil für diesen Beitrag nicht so passend finden kann ich verstehen, ist nicht jedermanns Geschmack. Ich wollte jedoch mein Thema eher witzig und spannend rüberbringen. Schließlich lesen wir die Beiträge hier aus Interesse 😉

    Ich hatte zuerst auch nicht gedacht, dass es drucksensitive Farben gibt. Ich finde es klasse, dass es euch freut, durch meinen Beitrag etwas neues dazugelernt zu haben. Man lernt schließlich nie aus.

    Die meisten Fragen habt ihr euch ja gegenseitig schon super erklärt, es gibt scheinbar mehrere, welche vorher schon über die Existenz der PSP Bescheid wussten.

    Freue mich auf weitere Anmerkungen,
    Antonia