Die Vermessung der Wärme - PTB

Das Ohr als Schwarzer Strahler
Die PTB kalibriert auch berührungslos messende Fieberthermometer.
Derartige Instrumente nutzen die Tatsache aus, dass das menschliche
Innenohr fast wie ein Schwarzer Körper wirkt: Man schaut hinein
und kann die dort herrschende Temperatur messen. Damit dies mit
der nötigen Genauigkeit geschieht, haben Forscher an der PTB ein
„Kunstohr“ entwickelt, das in einem Wasserbad auf eine genau definierte
Temperatur erwärmt wird. Mit diesem lassen sich dann handelsübliche
Fieberthermometer vergleichen.
Foto: mauritius images / Image Source
und der nur eine kleine Öffnung nach außen hat“, sagt
PTB-Wissenschaftler Klaus Anhalt. „Die Strahlung, die
dort entweicht, entspricht in sehr guter Näherung der
Schwarzkörperstrahlung.“ Je nach Temperatur besteht sie
aus einer Mischung von Infrarot-, Licht-, UV- oder gar
Röntgenstrahlen – alles elektromagnetische Strahlung,
aber mit unterschiedlicher Wellenlänge.
Derartige Schwarze Körper entwickeln Anhalt und
seine Kollegen in der PTB heute zum Kalibrieren von
sogenannten Sekundärnormalen, wobei sie genau diese
charakteristische Mischung von Wellenlängen nutzen. Die
Geräte dienen anschließend den Herstellern von Strahlungsthermometern
und Wärmebildkameras als Normale.
„Seit der Entwicklung des ersten Schwarzen Körpers hier
im Haus haben wir unsere Spitzenstellung nie verloren“,
freut sich Jörg Hollandt. „Die PTB kann heute lückenlos
von minus 170 Grad bis 3000 Grad Celsius berührungslos
mit kleinster Messunsicherheit messen. Das gibt es in
Europa sonst nirgendwo.“ Gerade bei hohen Temperaturen
oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer bei 1085 Grad
Celsius ist es schwierig, Materialien zu finden, die dort
stabile Fixpunkte ausbilden, die man zum Kalibrieren
benutzen kann. Intensive Entwicklungsarbeit hat aber in
den letzten Jahren auch dort Erfolge gebracht.
Die Industrie ist darauf angewiesen, denn Strahlungsthermometer
werden heute in vielen Branchen eingesetzt:
in der Kunststoff-, Glas- und Metallverarbeitung, in
der Lebensmittelindustrie ebenso wie beim Teeren von
Straßen. Selbst Fahrzeuge für den Straßen-Winterdienst
messen berührungslos die Temperatur der Straßenoberfläche
und dosieren danach die nötige Salzmenge, die sie
streuen. Ein anderes Gebiet ist die Autoindustrie, wo man
beispielsweise in den Lackierstraßen die Temperatur des
Lacks überwacht.
Messungen von Flugzeugen oder Fernerkundungssatelliten
aus stellen noch einmal ganz besondere Anforderungen.
Denn dort müssen die Geräte die Vibrationen des Starts
überstehen, müssen große Temperaturschwankungen und
ionisierende Strahlung aushalten und dabei immer stabil
messen, oft bis zu zehn Jahre lang. Um das zu gewährleisten,
gibt man ihnen eigene kleine Sekundärnormale mit
an Bord, an denen sie sich immer wieder justieren können.
„Das sind meist kleine Hohlraumstrahler. Wir entwickeln
mit unseren Kooperationspartnern aber auch sogenannte
Pyramidenfelder“, sagt Christian Monte, der ebenfalls als
Wissenschaftler an der Strahlungsthermometrie arbeitet.
„Man kann sie sich vorstellen wie eine Fläche, die bedeckt
ist mit kleinen geschwärzten Tannenbäumen. Wenn man
von oben darauf schaut, sieht man eine Fläche, die fast
perfekt schwarz ist. Dabei handelt es sich um den Versuch,
einen Schwarzen Körper anders zu realisieren als über
einen Hohlraum.“
Monte und sein Team ermitteln für die unterschiedlichsten
Proben unter genau definierten Bedingungen,
wie viel Strahlung sie jeweils emittieren und wie viel sie
reflektieren. Das hängt jeweils von der Temperatur, vom
Material und von der Beschaffenheit der Oberfläche ab.
So absorbiert etwa Gasbeton ganz andere Wellenlängen
als Metall oder Stein. Erst wenn man diese Werte kennt,
kann man beispielsweise das Foto einer Wärmebildkamera
daraufhin analysieren, welche Farbe welcher
Temperatur entspricht. „Man muss da sehr vorsichtig
sein“, sagt Monte, „es kann vielleicht eine Fuge wie ein
Hohlraumstrahler wirken und viel Strahlung emittieren,
aber das bedeutet noch lange nicht, dass dort ein Wärmeleck
sitzt.“
Auch diese Arbeiten dienen der Fernerkundung in der
Atmosphäre, aber ebenfalls der Planetenforschung: Wenn
die Raumsonde BepiColombo in einigen Jahren zum Merkur
fliegt, wird sie dort die Strahlungseigenschaften der
Oberfläche vermessen und mit Werten vergleichen, die
in der PTB ermittelt wurden. So will man herausfinden,
woraus die Oberfläche unseres Nachbarplaneten besteht.
Gleichzeitig kann man mit den Verfahren der PTB aber
auch die Temperaturverteilung in unseren eigenen Weltmeeren
ermitteln und damit den Klimaforschern endlich
zuverlässigere Daten zur Verfügung stellen.
Brigitte Röthlein
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