Materialwissenschaft Robust und elastisch: Empa optimiert das Glasfaserkabel

Glasfaserkabel übertragen Daten und Signale über weite Strecken schnell und zuverlässig. Allerdings nicht auf Biegen und Brechen, da sind sie empfindlich. An der Materialprüfungsanstalt Empa wurde nun eine robustere und dehnbare Alternative mit Flüssigkern entwickelt.

«Selbst mit den besten festen Faserkernen erreichen wir nie eine solche Elastizität wie mit unserer flüssig gefüllten Faser», freut sich Rudolf Hufenus von der Empa-Abteilung Advanced Fibers. Die besondere Kombination aus optischen und mechanischen Eigenschaften ermöglicht sogar den Einsatz des Kabels als mikrohydraulischer Bauteil und Lichtsensor. Das könnte gemäss Mitteilung vom Donnerstag eine Marktnische eröffnen.

Die für grosse Distanzen weithin eingesetzten Glasfaserkabel lassen sich nur bedingt biegen und reagieren empfindlich auf Zug. Die für kürzere Übertragungswege gebräuchlichen Plexiglas- und Polycarbonat-Kabel sind zwar biegsamer, aber auch ihr Kern bricht bei Dehnung. Die Flüssigfaser ist beiden Varianten überlegen, weil sie nicht bricht.

Spinnmaschine wird laufend verbessert

Fasern mit Flüssigkern produziert die Empa-Forschungsabteilung Advanced Fibers als Weltneuheit schon seit sieben Jahren mit einer selbstgebauten Maschine. Der Apparat sei seither laufend verbessert worden, erläuterte Hufenus gegenüber der Nachrichtenagentur Keystone-SDA. Die neue Herausforderung war nun, eine Variante zu entwickeln, die Licht leitet.

Dafür müsse der Brechungsindex der Flüssigkeit deutlich grösser sein als derjenige des transparenten Mantelmaterials. Nur dann werde das Licht an der Grenzfläche sauber gespiegelt und bleibe innerhalb der Flüssigkeit gefangen. Eine weitere Anforderung ist ein möglichst geringer Dampfdruck der Flüssigkeit, damit sie bei 200 bis 300 Grad Celsius gleichzeitig mit dem Mantelmaterial aus der Spinndrüse gepresst werden kann. Als geeignetste Flüssigkeit erwies sich Glycerin.

Zusatznutzen als Kräftemesser

Das Experiment damit gelang: Die erzeugte Faser hält bis zu zehn Prozent Dehnung aus und findet dann wieder in ihre Ursprungslänge zurück – etwas, was laut Hufenus keine optische Festkernfaser kann. Die flüssig gefüllte Faser könne sogar messen, um wie viel sie gedehnt wird: Die Forscher versetzten die Glycerinfüllung mit einer kleinen Menge fluoreszierender Farbe. Wird die Faser Zug ausgesetzt, vergrössert sich die Entfernung zwischen den einzelnen Farbmolekülen. Dadurch verändert sich die Farbe des abgestrahlten Lichts, was mit geeigneter Elektronik gemessen werden kann.

Mit dieser Fähigkeit qualifiziert sich das Kabel nicht nur für Signalübertragung und Sensorik, sondern auch für Kraftübertragung in der Mikromotorik und Mikrohydraulik. Die exakte Zusammensetzung von Faserhülle und Füllung kann dann laut Hufenus spezifisch auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.