Neue Meilensteine in der Quantenphotonik für eine verbesserte Umweltsensorik

TOPTICA eagleyard entwickelt in diesem Rahmen mit weiteren Projektpartnern mobile Analyseverfahren für Mikroplastik in Wasserproben, so dass die Umweltsensorik zukünftig die Möglichkeiten der Quantenphotonik nutzen kann.

Kläranlagen sind aktuell noch nicht in der Lage Mikroplastik vollständig herauszufiltern, was ein erhöhtes Risiko für die Umwelt und den Menschen darstellt. Gleichzeitig sind aktuelle Messgeräte zu groß und zu empfindlich für den mobilen Einsatz. SIM-QPla setzt genau hier an und fokussiert sich auf die Analysemethodik für aufbereitetes Abwasser. Aktuell werden bei der Detektion und Analyse von Mikroplastikpartikeln in Wasser vor allem MIR-Spektroskopiesysteme eingesetzt. Die Absorption des Lichts im mittleren Infrarotbereich durch Kunststoffpartikel wird genutzt, um die kleinen Partikel zu erkennen und zu klassifizieren – ein vergleichsweise aufwändiges Verfahren, das die Partner im Projekt SIM-QPla revolutionieren wollen. Es soll eine technologische Grundlage für eine neue Klasse von MIR-Spektrometern geschaffen werden. Ziel ist es, mit dieser Technologie geringe Mengen Mikroplastik ohne aufwändige Probenaufbereitung nachzuweisen. Die Proben werden mit den Photonen im MIR-Bereich vermessen. So können z.B. Reinigungsstufen besser ausgebaut werden, um zukünftig mehr Mikroplastik aus dem Wasser herausfiltern zu können.

TOPTICA eagleyard entwickelt im SIM-QPla Forschungsprojekt ein hermetisch dichtes Butterfly-Gehäuse, um das Laserlicht über eine Glasfaser an das Spektrometer zu koppeln. Zur hermetischen Faserdurchführung wird erstmalig ein Konzept zur spannungsarmen Montage erprobt während für die effektive Wärmespreizung spezielle Submounts als Hochleistungskeramiken designt und implementiert werden. Für die Anwendung im Feldbetrieb ist es erforderlich, eine geringe Leistungsaufnahme des thermoelektrischen Kühlers bei gleichzeitig präziser Temperaturregelung zu realisieren.
Das Projektteam um Hendrick Thiem, Entwicklungsingenieur bei TOPTICA eagleyard, evaluiert unterschiedliche Konzepte zur Kollimation und Faserkopplung, da sich die Anforderungen dieses Projekts mit dem aktuellen Stand der Technik nicht erfüllen lassen. Die hohen Anforderungen der Analytik erfordern den Einsatz eines optischen Isolators, der in das miniaturisierte Package integriert wird. Zudem wird auch die elektrische Ansteuerung für den Pumplaser und das Sensormodul zur Integration in das Gesamtmodul miniaturisiert. Im weiteren Verlauf werden neuartige Fertigungsprozesse für die hochintegrierte Mikromontage in Kleinserien erarbeitet, damit die Laser Module zukünftig kosteneffizient gefertigt werden können.

Nach Projektende werden industrietaugliche Lasermodule für die Quantensensorik zur Verfügung stehen. Durch die Detektion im nahen Infrarotbereich werden die Gesamtkosten des Analysesystems erheblich reduziert.
SIM Q-Pla hat ein Projektvolumen von über 2,7 Millionen Euro und wird und über drei Jahre zu 77,2 % vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) gefördert wird. Neben TOPTICA eagleyard gehören das Ferdinand-Braun-Institut, die Westphalia Datalab GmbH, die Humboldt Universität zu Berlin, die Westfälische Wilhelms-Universität Münster und die WESSLING GmbH zu den Projektpartnern.