Datenfluss in Glycerin

«In Sachen optisch leitender Polymerfasern haben wir schon alles Mögliche ausprobiert», sagt Rudolf Hufenus. «Aber selbst mit den besten festen Faserkernen erreichen wir nie eine solche Elastizität wie mit unserer flüssig gefüllten Faser.» Die besondere Kombination aus optischen und mechanischen Eigenschaften könnte der Zweikomponentenfaser der Empa nun neue Marktnischen eröffnen.

Um einzuschätzen, worum es geht, hilft ein kleiner Rundblick auf die Szene: Glasfaserkabel sind für die Datenübertragung über lange Strecken ideal. Die Technik ist erprobt und wird in grossem Massstab eingesetzt. Doch Glasfasern lassen sich nur bedingt biegen und reagieren sehr empfindlich auf Zugbelastung. Denn wenn der gläserne Kern der Faser reisst, ist es mit der Datenübertragung vorbei.

Kunststofffasern werden typischerweise für kürzere Übertragungsstrecken eingesetzt: für einzelne Gebäude, Firmenareale oder in Fahrzeugen. Der Kern dieser Fasern besteht oft aus PMMA – bekannt auch als Plexiglas – oder aus dem Kunststoff Polycarbonat. Diese transparenten Materialien sind zwar biegsamer als Glas, aber fast ebenso empfindlich gegen Zugkräfte. «Sobald sich ein Mikroriss im Faserkern bildet, wird Licht daran gestreut und geht verloren», erläutert Hufenus. «Die Datenübertragung wird also zunächst schlechter, später kann der Faserkern an dieser geschwächten Stelle sogar ganz reissen.»

An dieser Stelle kommt die Expertise der Empa ins Spiel: Seit sieben Jahren steht in den Labors der Forschungsabteilung «Advanced Fibers» in St. Gallen eine Maschine, die kilometerlange, mit Flüssigkeit gefüllte Fasern herstellen kann. Mit diesem Knowhow ist die Empa weltweit führend. «Zweikomponentenfasern mit festem Kern gibt es seit über 50 Jahren», so Hufenus. «Aber einen durchgehenden Flüssigkern zu fabrizieren, ist erheblich komplexer. Da muss schon alles genau zusammenpassen, damit das gelingt.»

Könnte man diesen flüssigen Kern nicht auch zur Lichtübertragung nutzen? überlegte sich der Empa-Forscher. Er steht damit in guter Schweizerischer Tradition: Es war der Genfer Physiker Jean-Daniel Colladon, der 1842 erstmals Licht im Inneren eines Wasserstrahls entlang leitete – und damit eine der physikalischen Grundlagen für die heutige Glasfasertechnik entdeckte.

Für die Lichtleitung in Hohlfasern mit Flüssigkern muss nun aber wieder alles zusammenpassen. Entscheidend ist der Unterschied des Brechungsindex zwischen der Flüssigkeit und dem transparenten Mantelmaterial: Der Brechungsindex der Flüssigkeit muss deutlich grösser sein als der des Mantelmaterials. Nur dann wird das Licht an der Grenzfläche sauber gespiegelt wird und bleibt innerhalb des Flüssigkerns gefangen.

Zugleich müssen alle Zutaten temperaturstabil sein. «Die beiden Komponenten der Faser müssen zusammen unter hohem Druck und bei 200 bis 300 Grad Celsius durch unsere Spinndüse laufen», sagt der Empa-Forscher. «Wir brauchen also eine Flüssigkeit mit passendem Brechungsindex für die Funktionalität und mit möglichst geringem Dampfdruck für die Herstellung der Faser.» Das Team entschied sich für einen Flüssigkern aus Glycerin und eine Hülle aus einem Fluoropolymer.

Bis zu 10 Prozent reversible Dehnung

Das Experiment gelang: Die erzeugte Faser hält bis zu zehn Prozent Dehnung aus und findet dann wieder in ihre Ursprungslänge zurück – das kann keine andere optische Festkernfaser!

Doch die Faser ist nicht nur extrem dehnbar, sie kann auch messen, wie weit sie gedehnt wurde. Hufenus und sein Team versetzten das Glycerin mit einer kleinen Menge fluoreszierenden Farbstoffs und untersuchten die optischen Eigenschaften dieser Leuchtfaser während des Dehnungsvorgangs. Ergebnis: Beim Dehnen der Faser verlängert sich der Weg des Lichts, die Zahl der Farbstoffmoleküle in der Faser bleibt hingegen konstant. Dies führt zu einer kleinen Farbänderung des abgestrahlten Lichts, die man durch geeignete Elektronik messen kann. So kann die flüssig gefüllte Faser eine Längenänderung oder eine auftretende Zugbelastung anzeigen.

«Wir erwarten, dass sich unsere flüssig gefüllten Fasern nicht nur für Signalübertragung und Sensorik, sondern auch für Kraftübertragung in der Mikromotorik und Mikrohydraulik einsetzen lassen», sagt Hufenus. Die exakte Zusammensetzung von Faserhülle und Füllung kann dann spezifisch auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.