Temperaturbestimmung von Blitzen mit einem DIY-Spektrometer

Wenn ein Schüler versucht, einem Blitz die Temperatur zu entlocken

Blitze faszinieren die Menschen. Sie sind laut, hell, gefährlich schön – und physikalisch gesehen nichts anderes als kurzlebige Plasmen, in denen Luftmoleküle ionisiert und zum Leuchten gebracht werden. Das nebenstehende Bild zeigt einen Wolke-zu-Wolke-Blitz als Beispiel für dieses natürliche Phänomen. Genau hier beginnt die Idee dieses besonderen Schülerprojekts: Wenn ein Blitz Licht aussendet, müsste man dieses Licht doch spektral zerlegen können. Und aus den Emissionslinien des Plasmas müsste sich dann vielleicht sogar seine Temperatur bestimmen lassen.

Mit dieser Fragestellung nahm Peter Kubach vom Albert-Schweitzer-Gymnasium Neckarsulm am Wettbewerb »Jugend forscht« teil. Unterstützt wurde das Projekt unter anderem mit einem unserer DIY-Czerny-Turner-Spektrometer. Das Wettbewerbsplakat beschreibt den gesamten Weg: vom Bau eines Blitzgenerators auf Basis einer Teslaspule über die spektrale Analyse bis hin zur Auswertung von Emissionslinien und dem Vergleich mit professionellen Messdaten.

Und wie das bei echten Experimenten so ist: Die spannendsten Erkenntnisse lagen nicht nur dort, wo es wie geplant funktionierte.

Die Idee: Temperaturmessung über Emissionslinien

Die physikalische Grundidee des Projektes ist elegant: Ein Blitz erzeugt ein Plasma. In diesem Plasma werden Atome, Moleküle und Ionen angeregt. Fallen Elektronen anschließend wieder auf niedrigere Energieniveaus zurück, wird Licht mit charakteristischen Wellenlängen ausgesendet. Es entstehen Emissionslinien.

Die Intensität dieser Linien hängt unter anderem davon ab, wie stark bestimmte Energieniveaus besetzt sind. Diese Besetzungszahlen wiederum sind temperaturabhängig. Vergleicht man die Intensitäten zweier geeigneter Spektrallinien derselben Teilchensorte, lässt sich daraus prinzipiell die Temperatur des Plasmas bestimmen.

Dafür müssen allerdings mehrere Bedingungen erfüllt sein:

• Die Linien müssen zuverlässig identifiziert werden.
• Die Linien sollten zur gleichen Teilchensorte gehören.
• Die oberen Energieniveaus müssen geeignet gewählt sein.
• Die notwendigen Übergangsdaten, insbesondere Einsteinkoeffizienten und Energieniveaus, müssen bekannt sein.
• Die spektrale Empfindlichkeit des Messsystems muss entweder bekannt sein oder ausreichend korrigiert werden.

Genau diese Punkte machen aus einer scheinbar einfachen Idee ein richtig anspruchsvolles spektroskopisches Experiment.

Der Versuchsaufbau: Teslaspule, Glasfaser und DIY-Spektrometer

Als Blitzquelle wurde eine Teslaspule eingesetzt. Eine solche Anordnung erzeugt durch Resonanzüberhöhung sehr hohe Spannungen, wodurch an der Sekundärspule sichtbare Streamer und Blitzentladungen entstehen. Die Elektronik wurde so ausgelegt, dass der Blitzgenerator über einen Raspberry Pi gesteuert werden konnte. Ein Touchscreen erlaubte dabei eine einfache Bedienung, und über die Software konnten unterschiedliche Blitzintensitäten ausgelöst werden.

Das Licht sollte über einen Lichtleiter in das DIY-Spektrometer eingekoppelt werden. Das auf dem Poster beschriebene Spektrometer arbeitet als Czerny-Turner-Aufbau: Das Licht fällt durch einen 10-µm-Spalt, wird über einen Hohlspiegel kollimiert, an einem Gitter spektral zerlegt und anschließend über einen zweiten Hohlspiegel auf eine Zeilenkamera mit 3648 Pixeln fokussiert. Für die Messungen wurde ein Gitter mit 600 Linienpaaren pro Millimeter eingesetzt.

Das klingt nach einem ziemlich geradlinigen Plan. In der Praxis zeigte sich allerdings schnell: Blitze sind keine besonders kooperativen Laborpartner.

Die Spektren wurden mit einem unserer DIY-Spektrometer aufgenommen.

• Anordnung: Czerny-Turner
• Brenweite: 150 mm
• Spaltgröße: 10 µm
• Gitter: 1200 lp/mm
• Detektor: Zeilenkamera e9u-LSMD-1304-STD mit 3648 Pixel
• Auflösung: 0,04 nm/Pixel
• Lichtleiter: Toslink

Die experimentelle Realität: viel Licht, aber nicht unbedingt am richtigen Ort

Die Teslaspule erzeugte beeindruckende Entladungen mit Längen bis etwa 22 cm. Daraus ergibt sich überschlägig eine Spannung im Bereich von rund 220.000 V. Die Entladungen waren deutlich hörbar, erzeugten Ozon, entzündeten Holz und führten zu elektromagnetischen Störungen im Versuchsaufbau. Auch elektronische Komponenten wurden durch die Störstrahlung beeinflusst und größere Abstände für Raspberry Pi und Spektrometer waren notwendig.

Für die Spektroskopie kam noch ein zweites Problem hinzu: Die Entladungen sind zwar visuell sehr hell, aber nur extrem kurz. Die Lichtmenge, die tatsächlich in den schmalen Spalt und durch den Lichtleiter in das Spektrometer gelangt, war dann letztendlich doch zu gering. Trotz Dunkelbildkorrektur und Aufsummieren vieler Einzelmessungen konnten an den Blitzen der Teslaspule keine verwertbaren Spektren aufgenommen werden.

Damit war die ursprüngliche Temperaturbestimmung an den selbst erzeugten Blitzen mit diesem Spektrometer leider nicht möglich, obwohl anerkannte Fachleute (u. a. das Instituto de Astrofísica de Andalucía sowie die Chinese Academy of Meteorological Sciences) das Messprinzip grundsätzlich bestätigt hatten.

Für ein Jugend-forscht-Projekt ist dies natürlich erst einmal Pech. Aber genau hier wird sichtbar, wo die Grenzen eines kompakten DIY-Spektrometers liegen – und welche technischen Fragen man lösen muss, wenn man von der Demonstration in Richtung belastbarer Plasmaspektroskopie gehen möchte.

Nebenfund mit Aha-Effekt: UV-Strahlung und Toslink-Lichtleiter

Besonders interessant war aber auch eine Beobachtung, die man erst einmal nicht unbedingt auf dem Schirm hat: Die UV-Strahlung starker Blitzentladungen kann Kunststoff-Lichtleiter sehr schnell schädigen. Bei den eingesetzten Toslink-Lichtleitern zeigte sich, dass das Material in der Nähe der Entladung trüb bzw. blind werden kann.

Das ist eine wichtige praktische Erkenntnis. Kunststoff-Lichtleiter sind günstig, leicht verfügbar und für viele Experimente hervorragend geeignet. In der Nähe energiereicher UV-Quellen oder heißer Plasmen können sie jedoch sehr schnell altern oder beschädigt werden. Für zukünftige Experimente mit starken Entladungen sollte man daher über Schutzfenster, größere Abstände, Quarzglasfasern oder alternative Einkoppelgeometrien nachdenken.

Kleine Merkhilfe: Nur weil ein Lichtleiter Licht transportiert, heißt das noch lange nicht, dass er jeden Lichteinfall auch freundlich wegsteckt. Ein Blitz ist da eher Team Vorschlaghammer.

Referenzmessungen mit Stickstoff: Linien finden ist die halbe Miete

Um die für eine Temperaturbestimmung relevanten Linien besser zu verstehen, wurden zusätzlich hochauflösende Messungen an einer N₂-Glimmlampe durchgeführt. Durch längere Integrationszeiten von bis zu einer Minute konnten die benötigten schwache Linien auch nachgewiesen und mit bekannten Referenzlinien abgeglichen werden.

Diese Messungen waren für das Projekt besonders wertvoll, weil sie zeigten, wie wichtig spektrale Auflösung, Signalstärke und Linienidentifikation für eine Temperaturbestimmung sind. Gerade bei molekularem Stickstoff und ionisierten Spezies können dicht beieinanderliegende Linien und Bandensysteme auftreten. Ohne ausreichende Auflösung und sorgfältige Zuordnung läuft man schnell Gefahr, die falschen Linien miteinander zu vergleichen.

Für die didaktische Arbeit ist das ein sehr schöner Punkt: Das Spektrometer misst nicht einfach »Temperatur«. Es misst zunächst nur Intensität als Funktion der Wellenlänge. Erst durch Kalibration, Linienidentifikation, Datenbanken und ein geeignetes physikalisches Modell wird daraus eine Temperaturinformation.

Was man aus diesem Projekt lernen kann

Dieses Projekt ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie weit man mit einem kompakten DIY-Spektrometer kommen kann – und wo die nächste Entwicklungsstufe beginnt.

Man lernt daran:

• Spektroskopie ist weit mehr als das Aufnehmen eines bunten Spektrums.
• Temperaturbestimmung aus Emissionslinien erfordert geeignete Linienpaare und zuverlässige Atomdaten.
• Kurze, helle Ereignisse sind messtechnisch deutlich schwieriger als schwächere, dafür länger leuchtende Quellen.
• Die Einkopplung in Lichtleiter und Spektrometer ist bei transienten Plasmen ein kritischer Punkt.
• UV-Strahlung und heiße Entladungen können optische Komponenten schnell schädigen.
• Elektromagnetische Störungen sind bei Hochspannungsversuchen kein Nebenthema, sondern Teil eines durchdachten Versuchsaufbaus.
• Negative Messergebnisse sind nicht automatisch schlechte Ergebnisse – manchmal zeigen sie besonders klar, was physikalisch und technisch wirklich passiert.

Fazit

Die Temperatur eines Blitzes mit einem DIY-Spektrometer bestimmen? Die Idee ist großartig. Die Umsetzung ist anspruchsvoll. Und genau deshalb ist dieses Projekt so spannend.

Mit dem eingesetzten Spektrometer konnten die selbst erzeugten Blitze der Teslaspule nicht empfindlich genug erfasst werden, um daraus eine Temperatur zu bestimmen. Trotzdem führte das Projekt zu wertvollen Erkenntnissen über Plasmaspektroskopie, Linienidentifikation, Lichtleitereinkopplung, UV-Schädigung optischer Materialien und die Grenzen kompakter Spektrometer.

Für uns ist dieses Experiment deshalb kein gescheitertes Projekt, sondern ein sehr ehrliches Stück angewandte Forschung: Ein Schüler stellt eine gute Frage, baut einen komplexen Versuchsaufbau, stößt auf reale Messgrenzen – und lernt dabei Dinge, die man in keinem vereinfachten Schulversuch sieht.