Ontwikkeling van micro dual temperatuur–warmtestroom-meetsonde met Pt-dunne film voor transiënte warmtemetingen tot 1400 °C.

Het meten van extreme hitte op toekomstige vliegovervlakken

Wanneer ruimtevaartuigen of snelle vliegtuigen met hoge snelheid door de atmosfeer snellen, wordt hun buitenhuid in fracties van een seconde blootgesteld aan intense hitte. Precieze kennis van hoeveel warmte die oppervlakken verdragen is cruciaal om te voorkomen dat motoren, brandstoftanks en beschermende coatings falen. Dit artikel presenteert een nieuw soort kleine warmtesond die temperaturen kan weerstaan die hoger zijn dan veel lavastromen en snel genoeg reageert om plotselinge thermische schokken te volgen, en daarmee een krachtig hulpmiddel biedt voor het ontwerpen van veiligere hogesnelheidsvoertuigen.

Waarom extreme hitte zo moeilijk te meten is

Oppervlakken van hypersonische testmodellen, turbinebladen en verbrandingskamers kunnen kortstondig meer dan 1000 °C bereiken terwijl ze worden bestraald door hogesnelheidsgassen. Traditionele warmtestroomsensoren—apparaten die meten hoe snel warmte een oppervlak binnendringt—hebben het in deze omgeving zwaar. Klassieke ontwerpen zijn relatief groot, waardoor ze de luchtstroom verstoren, en hun materialen kunnen oxideren of zachter worden, wat tot driftende of uitvallende metingen leidt. Veel huidige sensoren halen maximaal zo’n 1200 °C en reageren in milliseconden of langer, wat te langzaam en te fragiel is voor de scherpe, intense hittepieken die voorkomen in moderne windtunneltests en motoronderzoek.

Een kleine pilaar die bestand is tegen de hitte

De onderzoekers ontwikkelden een miniatuursonde gebaseerd op een platinadunne film gewikkeld om een 2 millimeter brede alumina (aluminiumoxide) pilaar. Alumina werd gekozen omdat het elektrisch isolerend, mechanisch sterk is en temperaturen tot ongeveer 1600 °C kan weerstaan. In deze keramische pilaar zijn de elektrische geleiders verborgen in smalle kanalen, wat de bedrading beschermt tegen hete, erosieve gassen en elektrische ruis vermindert. Aan de buitenzijde is de platinalaag in een S-vorm patroon aangebracht om de lengte te vergroten, waardoor de gevoeligheid voor temperatuurveranderingen toeneemt terwijl het oppervlak klein blijft.

Een beschermende huid die filmbreuk voorkomt

Een van de belangrijkste uitdagingen voor metalen films bij zeer hoge temperaturen is dat het oppervlak langzaam kan samenklonteren tot eilandjes, vergelijkbaar met waterparels op glas, wat hun elektrische eigenschappen verstoort. Om dit te voorkomen gebruikte het team electrohydrodynamisch jetprinten—een precieze, inktachtige spuitmethode—om het platina te coaten met een op maat gemaakte alumina beschermlaag. Na een behandeling bij hoge temperatuur verandert deze coating in een dichte, stabiele kristallijne vorm genaamd alfa-alumina. Microscopie- en röntgenmetingen toonden aan dat de gecoate platinafilm glad en goed gebonden blijft, zelfs na verwarming tot 1400 °C, terwijl een onbeschermde film bij lagere temperaturen holtes en ruwe plekken ontwikkelt.

Hoe de sonde warmte omzet in signalen

De nieuwe sensor werkt op twee complementaire manieren. Ten eerste stijgt de elektrische weerstand van de platinafilm voorspelbaar en vrijwel lineair wanneer deze opwarmt. Door een constante stroom door de film te sturen en de spanningsverandering te volgen, kan de temperatuur aan het oppervlak met hoge precisie worden berekend. Ten tweede kan met behulp van een bekend warmtedoorgangsmodel de tijdgeschiedenis van die spanning worden omgezet in de tijdgeschiedenis van de warmtestroom—de snelheid waarmee energie het oppervlak binnenkomt. Computersimulaties bevestigden dat de gelaagde structuur van de sonde een zuivere, bijna lineaire relatie tussen inkomende warmte en uitgangssignaal produceert, terwijl compressiespanning in de film, in stand gehouden door de aluminalagen, helpt het platina stabiel te houden bij hoge temperaturen.

De sensor op de proef gesteld

Het team onderwierp de sonde vervolgens aan een reeks experimenten. In een oven volgde de weerstand van de platinafilm de temperatuur van kamertemperatuur tot 1000 °C met uitstekende lineariteit en reproduceerbaarheid, en de beschermde versie overleefde tot ongeveer 1440 °C—ongeveer 50 procent hoger dan onbeschermde films. Lasergebaseerde tests vergeleken de nieuwe sonde met een commerciële warmtestroomsensor en lieten goede overeenstemming zien: bij het hoogst geteste vermogen mat het nieuwe apparaat ongeveer 71 kW per vierkante meter warmtestroom met minder dan 1,7 procent volledige-schaalfout en een reproduceerbaarheid beter dan 0,6 procent. Een snel verwarmingsopstelling, die plotselinge thermische belastingen nabootst, toonde aan dat de sonde in ongeveer 0,2 milliseconde kan reageren en warmtestromen boven 3,5 megawatt per vierkante meter kan weerstaan, met temperatuurfouten onder 1 procent bij controle met een infraroodthermometer.

Wat dit betekent voor toekomstige hogesnelheidsvluchten

In eenvoudige bewoordingen levert dit werk een zeer kleine, zeer robuuste en zeer snelle thermometer die niet alleen temperatuur meet maar ook hoe heftig warmte op een oppervlak inslaat. Omdat hij bijna 1500 °C kan overleven, in microseconden reageert en in arrays op kleine pilaren kan worden vervaardigd, is hij goed geschikt om de thermische belastingen op hypersonische voertuigen en motoronderdelen in detail in kaart te brengen. Deze mogelijkheid zou ingenieurs moeten helpen betrouwbaardere thermische beschermingssystemen te ontwerpen en nieuwe materialen onder realistische, extreme omstandigheden te testen, waarmee veiliger hogesnelheidsvluchten dichterbij komen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: warmtestroomsensor, hypersonische windtunnel, platinum dunne film, hogetemperatuurmeting, alumina keramiek