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Wissenschaftliches Feuerwerk Pyrotechnik: Funken mit Farbwechsel

| Autor/ Redakteur: Christian Ernst* / Christian Lüttmann

Wem Wunderkerzen zu farblos sind, könnte eine Entdeckung von Forschern der Technischen Universität Clausthal gefallen. Dort hat man herausgefunden, wie sich farbwechselnde grell-grüne Funken erzeugen lassen. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung wären nicht nur für Pyrotechnik interessant, sondern auch für Signalleuchten.

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Verbrennt man Erbiumpulver – hier in der nichtleuchtenden Flamme eines Bunsenbrenners –, entstehen orange und grüne Funken.
Verbrennt man Erbiumpulver – hier in der nichtleuchtenden Flamme eines Bunsenbrenners –, entstehen orange und grüne Funken.
(Bild: TUC)

Clausthal-Zellerfeld – Unterschiedliche Farben von Flammen sind aus jedem Feuerwerk bekannt. Durch Beimischen bestimmter Metallsalze können Flammen in tiefrot, leuchtend blau oder strahlendem Grün erscheinen. Die Farbe ergibt sich aus dem Licht, welches die Atome bei Anregung durch die Verbrennungshitze emittieren.

Für die Funken von Wunderkerzen sind ebenfalls Metalle verantwortlich, allerdings in ihrer elementaren Form. So sorgen Eisen und Magnesium-Späne bei ihrer Verbrennung für die hell strahlenden Funken. Eines haben die Flammen aus den Feuerwerksraketen und die Funken der Wunderkerzen gemein: Ihre Farbe ist festgelegt und ändert sich nicht während des Leuchtens.

Forscher der Technischen Universität Clausthal um Professor Eike Hübner haben nun eine Entdeckung gemacht, mit der Wunderkerzen in Zukunft farbwechselnde Funken versprühen könnten. „Rein fachlich handelt es sich bei der Entdeckung um die – unseres besten Wissens nach – tatsächlich weltweit erstmalige Beschreibung von farbwechselnden Funken“, sagt Hübner.

Forschung an Funken

Funken, also glühende Partikel, kennt man von Kohlefeuern, Winkelschleifern und natürlich Wunderkerzen. Die Farben, die solch ein Partikel annehmen kann, sind im Gegensatz zur Farbenpracht von Flammen sehr limitiert. Bekannt sind etwa rötliche Funken von glühender Kohle, gelbliche Funken aus Eisen und nahezu weiße Funken aus Titan oder Aluminium. „Das Licht, das erhitzte kondensierte Materie – das heißt, die feste oder flüssige Substanz, nicht die gasförmige – abstrahlt, hängt dabei von der Temperatur ab und folgt strengen Regeln“, erklärt Hübner. Von den vorgegebenen Farben abzuweichen, sei nicht möglich. Um den begrenzten Farbbereich trotzdem zu erweitern, müsse ein Funke daher in der Gasphase verbrennen, ergänzen die Forscher.

Auf der Suche nach lang-anhaltenden, ungewöhnlich gefärbten Funken und unter Berücksichtigung aller theoretischen Grundlagen blieb ein Element übrig, das bisher noch nicht untersucht wurde: das Metall Erbium. „Der Einsatz von Erbium ergab schließlich – auch zu unserer eigenen Überraschung – Funken, die zwei Mal die Farbe wechseln“, schildert Hübner.

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Farbwechsel dank Gasphase

Der Farbwechsel lasse sich mit den theoretischen Modellen im Nachhinein gut erklären. Er basiert den Forschern zufolge auf dem Wechsel zwischen einem glühenden Partikel und einer gasförmig verbrennenden Phase. Letztere ist nur bei sehr hohen Temperaturen möglich und daher von kurzer Dauer. Praktisch bilden damit die beschriebenen Erbium-Funken eine Möglichkeit für tatsächlich lange sichtbare, weit fliegende Funken mit einer intensiv grell-grün gefärbten Phase.

„Wir haben diese Untersuchungen in den größeren Kontext von weiteren Materialien eingebunden und damit das Verständnis für die Farbe von Funken erweitert“, berichtet das Forscherteam. In ihrer Veröffentlichung stellen sie u.a. pyrotechnische Fontänen auf Basis der farbwechselnden Funken aus Erbium und beispielsweise auch rötliche Funken aus Diamantpulver vor. Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung sollen helfen, das Verständnis für den Abbrand von Metallpulvern zu vertiefen. Zudem könnten sie den Forschern zufolge für Leuchtsignale und ähnliche Anwendungen von Vorteil sein.

Originalpublikation: Felix Lederle, Jannis Koch, Eike G. Hübner: Colored Sparks. Ejic, Volume2019, Issue7, Pages 928-937, February 21, 2019; DOI: 10.1002/ejic.201801300

* C. Ernst, Technische Universität Clausthal, 38678 Clausthal-Zellerfeld

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