Entwicklung einer mikrodoppel-Temperatur–Wärmefluss-Sonde mit Pt-Dünnschicht für transiente Wärme-messungen bis 1400 °C.

Messung extremer Hitze an künftigen Flugflächen

Wenn Raumfahrzeuge oder Überschallflugzeuge mit hoher Geschwindigkeit durch die Atmosphäre rasen, wird ihre Außenhaut innerhalb von Sekundenbruchteilen durch intense Hitze getroffen. Genau zu wissen, wie viel Wärme diese Oberflächen aushalten müssen, ist entscheidend, damit Triebwerke, Treibstofftanks und Schutzbeschichtungen nicht versagen. In diesem Beitrag wird eine neue, sehr kleine wärmeempfindliche Sonde vorgestellt, die höhere Temperaturen aushält als viele Lavaströme und schnell genug reagiert, um plötzliche thermische Schocks zu verfolgen — ein leistungsfähiges Werkzeug zur Auslegung sichererer Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge.

Warum extreme Hitze so schwer zu messen ist

Oberflächen an hypersonischen Prüfmodellen, Turbinenschaufeln und Brennkammern können kurzzeitig über 1000 °C erreichen, während sie von hochgeschwindigen Gasen „gesandstrahlt“ werden. Traditionelle Wärmefluss-Sensoren — Geräte, die messen, wie schnell Wärme in eine Oberfläche fließt — haben in dieser Umgebung große Probleme. Klassische Bauformen sind relativ groß, stören die Strömung um sie herum, und ihre Werkstoffe können oxidieren oder erweichen, sodass Messwerte drifteten oder ausfielen. Viele heutige Sensoren sind bis etwa 1200 °C begrenzt und reagieren erst im Millisekundenbereich oder langsamer, was zu langsam und zu empfindlich für die scharfen, intensiven Hitzeimpulse ist, die in modernen Windkanaltests und Triebwerksforschungen auftreten.

Eine winzige Säule, gebaut, um Hitze zu ertragen

Die Forschenden entwickelten eine miniaturisierte Sonde auf Basis einer Platin-(Pt)-Dünnschicht, die auf eine 2 Millimeter breite Aluminiumoxid-(Alumina)-Säule aufgebracht ist. Alumina wurde ausgewählt, weil es elektrisch isolierend, mechanisch stabil ist und Temperaturen bis ungefähr 1600 °C widersteht. Innerhalb dieser Keramiksäule sind die elektrischen Leiter in engen Kanälen verborgen, wodurch die Verdrahtung vor heißen, erosiven Gasen geschützt und elektrisches Rauschen reduziert wird. Außen ist die Platinlage in einem S-förmigen Muster angelegt, um ihre Länge zu erhöhen, die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen zu steigern und gleichzeitig eine sehr kleine Aufstandsfläche beizubehalten.

Eine Schutzschicht, die den Film vor dem Zerfall bewahrt

Eines der Hauptprobleme von Metallfilmen bei sehr hohen Temperaturen ist, dass die Oberfläche sich allmählich zu Inseln zusammenballen kann, ähnlich wie Wasser, das auf Glas perlt, wodurch sich ihr elektrisches Verhalten verschlechtert. Um dies zu verhindern, verwendete das Team electrohydrodynamisches Jet-Printing — eine präzise, tintenähnliche Sprühmethode — um das Platin mit einer maßgeschneiderten Alumina-Schutzschicht zu überziehen. Nach einer Hochtemperaturbehandlung wandelt sich diese Beschichtung in eine dichte, stabile Kristallform namens Alpha-Alumina um. Mikroskopie- und Röntgenmessungen zeigten, dass die beschichtete Platinfolie auch nach Erhitzung bis 1400 °C glatt und gut haftend bleibt, während ein ungeschützter Film bei niedrigeren Temperaturen Hohlräume und rauhe Stellen entwickelt.

Wie die Sonde Wärme in Signale umwandelt

Der neue Sensor arbeitet auf zwei sich ergänzenden Prinzipien. Erstens steigt bei Erwärmung der Platinfolie ihr elektrischer Widerstand in vorhersehbarer, nahezu linearer Weise an. Indem ein konstanter Strom durch die Folie geleitet und die Spannungsänderung verfolgt wird, lässt sich die Oberflächentemperatur mit hoher Genauigkeit berechnen. Zweitens kann mithilfe eines bekannten Wärmekonduktionsmodells der zeitliche Verlauf dieser Spannung in den zeitlichen Verlauf des Wärmeflusses umgerechnet werden — also der Rate, mit der Energie in die Oberfläche einströmt. Computersimulationen bestätigten, dass die geschichtete Struktur der Sonde eine saubere, nahezu lineare Beziehung zwischen eingehender Wärme und Ausgangssignal erzeugt, während drückende Spannungen in der Folie, erhalten durch die Alumina-Schichten, dazu beitragen, das Platin bei hohen Temperaturen stabil zu halten.

Die Sonde im Versuch

Das Team unterzog die Sonde anschließend einer Reihe von Experimenten. Im Ofen verfolgte der Widerstand der Platinfolie die Temperatur von Raumtemperatur bis 1000 °C mit ausgezeichneter Linearität und Reproduzierbarkeit, und die geschützte Ausführung überstand Temperaturen bis etwa 1440 °C — grob 50 Prozent höher als ungeschützte Filme. Laserbasierte Tests verglichen die neue Sonde mit einem kommerziellen Wärmefluss-Sensor und zeigten gute Übereinstimmung: Bei der höchsten getesteten Leistung maß das neue Gerät etwa 71 kW pro Quadratmeter Wärmefluss mit weniger als 1,7 Prozent Fehler bezogen auf den Vollbereich und einer Reproduzierbarkeit besser als 0,6 Prozent. Ein schneller Erwärmungsaufbau, der plötzliche thermische Lasten nachbildete, zeigte, dass die Sonde in etwa 0,2 Millisekunden reagieren kann und Wärmeflüsse über 3,5 Megawatt pro Quadratmeter verkraftet, mit Temperaturfehlern unter 1 Prozent im Vergleich zu einem Infrarotthermometer.

Was das für die Zukunft des Hochgeschwindigkeitsflugs bedeutet

Kurz gesagt liefert diese Arbeit ein sehr kleines, sehr robustes und sehr schnelles Thermometer, das nicht nur Temperatur misst, sondern auch, wie heftig Wärme in eine Oberfläche einschlägt. Weil es nahe 1500 °C übersteht, in Mikrosekunden reagiert und in Arrays auf winzigen Säulen gefertigt werden kann, eignet es sich hervorragend zur detaillierten Kartierung thermischer Belastungen an hypersonischen Fahrzeugen und Triebwerkskomponenten. Diese Fähigkeit sollte Ingenieuren helfen, zuverlässigere thermische Schutzsysteme zu entwerfen und neue Materialien unter realistischen, extremen Bedingungen zu testen — ein Schritt, der sichereren Hochgeschwindigkeitsflug näherbringen kann.

Zitation: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

Schlüsselwörter: Wärmefluss-Sensor, hypersonischer Windkanal, Platin-Dünnschicht, Hochtemperaturmessung, Aluminiumoxid-Keramik