Bild des Monats: Die Quadratur des Blitzes Aus dem elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme

Unser Bild des Monats fängt die Sekundenbruchteile ein, die beim Blitzeinschlag über das Leben von Menschen, aber auch Geräten wie Kühlschränke und Computer entscheiden. Das extrem heiße Plasma in der abgelichteten Funkenstrecke kann der rettende Kurzschluss für Mensch und Geräte sein. Die weißen und bunten Quadrate am unteren Bildrand stammen von der Hochgeschwindigkeitskamera im Blitzschutzlabor des elenia Instituts für Hochspannungstechnik und Energiesysteme. Damit erforscht Doktorand Enno Peters, was effektiv vor Blitzschäden schützt.

Die Funkenstrecke in Aktion. Unten die unterschiedlich bearbeiteten Bilder der Hochgeschwindigkeitskamera. Die oberste Reihe sind die Originalbilder, darunter die von der Software erkannten Objekte und dann die eingefärbten Objekte. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig

Das Blitzschutzsystem unterscheidet zwischen äußerem und innerem Blitzschutz. Außen schützen die Blitzableiter, mit sogenannten Fangstangen, die wiederum mit dem Erdungssystem der Gebäudestruktur verbunden sind. So ist es wahrscheinlicher, dass der Blitz an der Fangstange einschlägt, woraufhin der äußere Blitzschutz ihn kontrolliert gegen Erde ableiten kann. Innerhalb des Hauses bleibt trotz Fangstangen noch die Gefahr der Überspannung. „Wenn in das äußere System ein Blitz einschlägt, entstehen hohe Ströme und Spannungen. Die Geräteisolation hat dem außerordentlich hohen Blitzstrom und der infolgedessen entstehenden hohen Spannung wenig entgegenzusetzen. Alles, was dann noch in der Steckdose steckt, wäre kaputt. Das gilt übrigens nicht nur für Einschläge direkt am Haus. Selbst wenn es innerhalb mehrerer Kilometer blitzt, kann das zu Überspannung in den Gebäuden führen“, erklärt Doktorand Enno Peters.

Ein faustgroßer Kasten gegen 20.000 Ampere

Gegen den energiereichen Blitzstrom helfen Blitzstromableiter, die im Kern aus einer sogenannten Funkenstrecke bestehen. Sie enthält zwei Elektroden, die von einem luftgefüllten Raum getrennt sind. Wenn ein Blitz Strom und Spannung schlagartig nach oben treibt, wird die Luft zu Plasma und damit leitfähig. Es bildet sich ein Lichtbogen, ähnlich dem von manchen Schweißgeräten, als rettender Kurzschluss im Stromkreis.

Beim Blick in die Funkenstrecke lassen sich die beiden schwarzen Elektroden betrachten. Eine Überspannung kann die Luft zwischen ihnen zu Plasma werden lassen. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig

Doktorand Enno Peters präpariert die Modell-Funkenstrecke im Blitzschutzlabor. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig

Die fertig präparierte Funkenstrecke ist bereit für den nächsten Versuch. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig

Auch im Labor folgt auf Blitz der Donner. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig

Nur noch wenige Sekunden bis 20.000 Ampere durch die Funkenstrecke jagen. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig

Das Bild des Monats zeigt einen solchen Lichtbogen aus Plasma in einer Funkenstrecke im Blitzstromlabor. Die etwa faustgroße Funkenstrecke unterscheidet sich dabei kaum von denen, die Industriebauten und Privathäuser beschützen. Lediglich an einer Seite besteht das Wandmaterial aus einem transparenten Kunststoff, sodass die Hochgeschwindigkeitskamera hineinfotografieren kann. „Bei der Kamera war die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) eine große Hilfe“, sagt Enno Peters. „Da der Blitz nur wenige Mikrosekunden in der Funkenstrecke herrscht, brauchten wir eine extrem schnelle Kamera. Unsere schafft 800.000 Bilder pro Sekunde. Damit bekommen wir also von jedem Lichtbogen etwa zehn Bilder.“

Strom pro Pixel

Durch das Auge der Hochgeschwindigkeitskamera: Mit passender Software analysiert Enno Peters das Plasma in der Funkenstrecke Bild für Bild. Die Grafik gibt die lokale Stromverteilung (gelbe Linie) auf einer Skala von 0 bis 4095: Diese Zahl entspricht genau der 12Bit-Auflösung der Kamera. Bildnachweis: Enno Peters/TU Braunschweig

Um die schwarzweißen Kamerabilder besser zu analysieren, programmierten die Doktoranden Benjamin Weber und Enno Peters zusammen eine Analysesoftware. Diese markiert die Stromverteilung mit einem Farbcode: Je roter, desto höher der Strom. Gleichzeitig erkennt sie sofort den relevanten Bereich des Lichtbogens (roter Kasten) und erstellt Linienprofile, die quer zum Stromfluss die Stromdichte pro Pixel angeben (gelbe Linie und Diagramm). Die Forschung soll aufzeigen, wie sich das Plasma in der Funkenstrecke lokal verteilt. „Mehrere zehntausend Ampere, Temperaturen bis 30.000 Kelvin und ein Druck von über 500 bar: Auch ein Blitzstromableiter hält das nicht allzu häufig aus. Als Nebeneffekte, bei Kenntnis der Verteilung des Plasmas, lassen sich Aussagen über den Materialabbrand an Elektroden und Brennkammer treffen. Eine weitere bisher noch offene Frage ist, wie das Gerät wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Mit diesem Wissen ließen sich die Geräte langfristig noch weiter verbessern“, sagt Enno Peters.

Doktorand Enno Peters im Blitzschutzlabor. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig