Lichtwellenleiter Hohlfaser: Stabilere Datenübertragung im Glycerinkern

Autor / Redakteur: Rainer Klose / Peter Königsreuther

Die Datenübertragung mit Glasfasern ist effizient. Doch Glasfasern können brechen. Experten der Empa zeigen, wie das mit glyceringefüllten Kunststoff-Hohlfasern besser geht – in vielerlei Hinsicht.

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Flüssige Datenübertragung! Das ist kein Blutgefäß, sondern eine vergrößert dargestellte Datenübertragungsfaser, deren Mantel aus Kunststoff besteht. Ihr Kern ist aus Glycerin (hier rot eingefärbt). Im Vergleich zur reinen Glasfaser hat sie diverse Vorteile, sagen Forschende des Empa.
Flüssige Datenübertragung! Das ist kein Blutgefäß, sondern eine vergrößert dargestellte Datenübertragungsfaser, deren Mantel aus Kunststoff besteht. Ihr Kern ist aus Glycerin (hier rot eingefärbt). Im Vergleich zur reinen Glasfaser hat sie diverse Vorteile, sagen Forschende des Empa.
(Bild: Empa)

Ein Materialfoscher-Team um Dr. Rudolf Hufenus der Empa hat eine Faser mit flüssigem Glycerinkern entwickelt, die sehr viel robuster ist, aber die Daten ebenso sicher übertragen kann, wie eine Glasfaser. Das ist aber noch nicht alles, denn aus solchen Fasern lassen sich auch mikrohydraulische Bauteile und Lichtsensoren bauen.

Glas ist als Überträger ideal, hat aber mechanische Nachteile

In Sachen optisch leitender Polymer-, also Kunststofffasern, haben die Empa-Experten schon alles Mögliche ausprobiert, sagt Hufenus. Aber selbst mit den besten festen Faserkernen habe man nie die Elastizität einer mit Flüssigkeit gefüllten Faser erreicht. Die besondere Kombination aus optischen und mechanischen Eigenschaften könnte der neuen 2-Komponenten-Faser nun neue Marktnischen eröffnen.

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Doch um einschätzen zu können, worum es hier geht, sei ein kleiner Rundblick auf die Szene erlaubt: Glasfaserkabel sind für die Datenübertragung über lange Strecken zwar ideal. Die Technik ist erprobt und sie wird in großem Maßstab eingesetzt. Doch Glasfasern lassen sich nur bedingt biegen und reagieren sehr empfindlich auf Zugkräfte. Und wenn der gläserne Kern der Faser reißt, ist es aus mit der Datenübertragung.

Empa-Expertise sorgt für kilometerlange, flüssigkeitsgefüllte Fasern

Es gibt auch noch Kunststofffasern, die typischerweise für kürzere Übertragungsstrecken eingesetzt werden – etwa in einzelnen Gebäuden, Firmenarealen oder in Fahrzeugen. Der Kern dieser Fasern besteht oft aus PMMA (Polymethylmethacrylat) – besser bekannt als Plexiglas oder Acrylglas. Es gibt auch noch Fasern aus dem Kunststoff Polycarbonat (PC). Diese transparenten Polymere sind zwar biegsamer als Glas, aber fast ebenso empfindlich gegen Zugbelastung. „Sobald sich auch nur ein Mikroriss im Faserkern bildet, wird Licht daran gestreut und damit geht auch Information verloren“, erläutert Hufenus. Die Datenübertragung wird also zunächst „nur“ schlechter. Später kann der Faserkern an dieser bereits geschwächten Stelle sogar ganz reißen.

Das ist nun der Punkt, an dem die Expertise der Empa ins Spiel kommt. Denn seit sieben Jahren steht in den Labors der Forschungsabteilung „Advanced Fibers“ im Schweizerischen St. Gallen eine Maschine, die mit Flüssigkeit gefüllte Fasern kilometerlang herstellen kann. Mit diesem Know-how sei die Empa weltweit führend. 2-Komponenten-Fasern mit festem Kern gibt es seit über 50 Jahren, klärt Hufenus auf, aber einen durchgehenden Flüssigkern zu fabrizieren, ist erheblich komplexer. Dafür müsse schon alles genau zusammenpassen. Und könnte man diesen flüssigen Kern nicht auch zur Licht-, also Datenübertragung, nutzen, überlegte sich der Empa-Forscher. Er steht damit in guter Schweizerischer Tradition, denn 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 fand.

Einzigartige Hybridfaser aus Glycerin und Flourpolymer

Für die Lichtleitung in Hohlfasern mit Flüssigkern muss nun aber wieder alles zusammenpassen. Beachten muss man vor allem den Unterschied des Brechungsindex zwischen der Flüssigkeit und dem transparenten Mantelmaterial. Der Brechungsindex der Flüssigkeit muss dabei deutlich grösser sein. Nur dann wird das Licht an der inneren Grenzfläche zwischen Fluid und Mantel sauber gespiegelt und bleibt innerhalb des Flüssigkerns „gefangen“.

Zugleich müssen alle Zutaten auch temperaturstabil sein, heißt es weiter. Die beiden Komponenten der Faser müssen zusammen unter hohem Druck und bei Temperaturen zwischen 200 und 300 °C durch eine Spinndüse laufen, betont der Empa-Forscher. Es braucht folglich eine Flüssigkeit mit passendem Brechungsindex, für die Funktionalität, die auch einen möglichst geringen Dampfdruck hat, um eine Faser herstellen zu können. Das Team entschied sich für einen Flüssigkern aus Glycerin, der von einem Fluoropolymer umhüllt wird.

Und es hat damit geklappt! Die daraus erzeugte Faser hält bis zu 10 Prozent Dehnung aus und findet dann wieder in ihre Ursprungslänge zurück – das könne keine andere optische Festkernfaser leisten.

Die Datenübertragung dürfte nicht das einzige Einsatzfeld sein

Doch die Faser ist nicht nur extrem dehnbar, sie kann auch messen, wie weit sie gedehnt wurde, betonen die Forschenden. Hufenus und sein Team versetzten das Glycerin dazu mit einer kleinen Menge fluoreszierenden Farbstoffs. Dann untersuchten sie die optischen Eigenschaften dieser „Leuchtfaser“, während des Dehnungsvorgangs. Denn beim Dehnen verlängert sich der Weg des Lichts, die Zahl der Farbstoffmoleküle in der Faser aber bleibt konstant. Dieser Effekt führt zu einer kleinen Farbänderung des abgestrahlten Lichts, die man durch geeignete Elektronik messen kann. So kann die glyceringefüllte Faser eine Längenänderung oder eine auftretende Zugbelastung quasi 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“, prognostiziert Hufenus. Die exakte Zusammensetzung von Faserhülle und Füllung könne dann spezifisch an die Anforderungen der jeweiligen Aufgabe angepasst werden.

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