Theoretische Beschreibung und Modellierung von Lichtbögen bei kleinen Strömen und kleinen Elektrodenabständen

• Antragstellerin: Dr. Margarita Baeva
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390828847

Lichtbogenplasmen besitzen nach wie vor einen breiten Anwendungsbereich in industriellen Prozessen und Anlagen. Jedoch ist das Verständnis der physikalischen Mechanismen in elektrischen Lichtbögen und deren komplexe Wechselwirkung immer noch unvollständig. Zur Beschreibung des stark gekoppelten und nichtlinearen physikalischen Problems werden Vereinfachungen wie z. B. die Annahme lokalen thermodynamischen Gleichgewichts, die Drift-Diffusions-Näherung oder die vereinfachte Form des Ohmschen Gesetzes in Betracht gezogen. Diese Voraussetzungen versagen insbesondere bei kleinen Strömen (unter 50 A) und kurzen Bogenlängen (unter 2 mm). Das Ziel dieses Projektes ist es, eine neuartige, gleichgewichtsferne Beschreibung von Lichtbögen und deren Wechselwirkung mit den Elektroden bei niedrigen elektrischen Stromstärken und kurzen Bogenlängen zu erarbeiten und eine entsprechende Modellierung durchzuführen. Mittels sorgfältiger Analyse der physikalischen Prozesse und Eigenschaften des Bogenplasmas werden Erkenntnisse über die räumliche und zeitliche Entwicklung insbesondere von Bogenplasmen, deren Bogenlänge sich bis auf wenige Millimeter verkürzt, gewonnen. Insbesondere wird die Modellierung Untersuchungen zur Abweichung der betrachteten Bogenplasmen vom thermischen und chemischen Gleichgewicht ermöglichen. Ein Schwerpunkt des Projekts ist die Entwicklung eines selbstkonsistenten Modells für Bogenplasmen kleiner Länge im Nichtgleichgewicht. Das Modell soll in einem weiten Stromstärkebereich (bis zu wenigen Amper) anwendbar sein, die Elektroden berücksichtigen und die Anpassung des quasineutralen Plasmas an die Raumladungsschicht mit mehreren Teilchen-Komponenten vor den Elektroden ermöglichen. Ein derartiges Modell ist bisher noch nicht entwickelt worden und wird einen signifikanten Beitrag für ein besseres physikalisches Verständnis der vielfach angewendeten Bogenplasmen kurzer Länge leisten. Darüber hinaus werden die Elektrodenbereiche auf verschiedenen Skalenlängen analysiert und die räumlichen Veränderungen der Plasmaparameter bei Verkürzung der Bogenlänge untersucht. Die Ergebnisse des Projekts werden in technologischer Hinsicht wertvoll sein. So können z. B. etablierte Verfahren wie das Kurz- und Mikrolichtbogenschweißen, neue Verfahren wie die generative Fertigung mit Lichtbogenschweißprozessen und die Entwicklung von Niederspannungsschaltgeräten von den neuen Erkenntnissen und der Modellierung profitieren. Die große Erfahrung der Antragstellerin auf dem Gebiet der Plasmamodellierung sowie ihre aktuellen Untersuchungen zur selbstkonsistenten und gleichgewichtsfernen Modellierung von Bogenplasmen sind wichtige Voraussetzungen für den Erfolg des Projektes.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Dirk Uhrlandt