Quantensensoren – Den Minis gehört die Zukunft

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem ThinKing im April 2022. Mit diesem Label gibt die Leichtbau BW GmbH monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

Auf einen Blick:
– Leichter: 16 Gramm statt etwa 16 Kilogramm – der Faktor 1.000 in der Gewichtsreduzierung ist ein Quantensprung für den Quantensensor.
– Kurze Produktionszeit: Die kleinen Quantensensoren lassen sich durchschnittlich innerhalb von einer halben Stunde herstellen.
– Kostengünstig: Inklusive Material kostet ein leichter Quantensensor nur wenige Euro.
– Neue Möglichkeiten: Durch mittels Chipintegration miniaturisierte Elektronik lassen sich aus den Magnetresonanzsensoren tragbare, spinbasierte Analysegeräte entwickeln, die in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz kommen.

Leichtbau revolutioniert die Magnetresonanz-Messtechnik: Kleinere Magnete und additiv gefertigte Strukturen führen zu einer Miniaturisierung der bisher großen und unhandlichen Sensoren.

„Wir nutzen den 3D-Druck als eine Möglichkeit, leichte und zugleich hochpräzise Magnete für Quantensensoren zu realisieren“, erklärt Prof. Dr. Jens Anders, Leiter des Instituts für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart, das für diese Entwicklungsleistung mit dem ThinKing des Monats April 2022 ausgezeichnet wird.

Breitgefächerte Einsatzgebiete
Die Magnete können in Magnetresonanzsensoren für die Kernspin- (NMR) und Elektronenspinresonanz (ESR oder EPR) zum Analysieren des chemischen Aufbaus von Molekülen oder der chemischen Zusammensetzung von Gemischen genutzt werden. Weil sie um ein Vielfaches kleiner und leichter sind als bisherige Ausführungen, ermöglichen die Sensoren zum ersten Mal wirklich portable Systeme für Point-of-use- beziehungsweise Point-of-care-Messungen. Den Einsatzmöglichkeiten sind deshalb kaum Grenzen gesetzt: von der Medizintechnik über die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung im Leichtbau bis hin zur Qualitäts- und Gütekontrolle in der Herstellung von Faserverbundkunststoffen wie CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) und GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) sowie in der Inline- Prozesskontrolle radikalischer Polymerisationen. Untersuchen lassen sich organische Flüssigkeiten (beispielsweise Blut, Urin), weiche und flüssige Lebensmittel (beispielsweise Milch oder Butter), Polymere, biologisches Gewebe und poröse Materialien.

Leicht, günstig und schnell hergestellt
Magnetresonanzsensoren bestehen aus einer Spule als Sensor, Anrege- und Auswerteelektronik sowie den Magneten und Eisenkomponenten, die für ein homogenes Magnetfeld sorgen. Die Eisenkomponenten bezeichnet man als Joch- und Polstücke, wobei letztgenannte oftmals zusätzliche spezielle Strukturen (Shimstrukturen) zur Verbesserung der Homogenität des Magnetfelds enthalten. An diesem Aufbau hat sich auch durch die Miniaturisierung im Grunde nichts verändert.

Aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts waren bisher die Einsatzmöglichkeiten der Magnetresonanzsensoren deutlich limitiert. So sind die Sensoren bisher im besten Fall mobil, aber gewiss nicht tragbar. Die Herstellung traditioneller Magnetresonanzmagnete ist aufwändig und kann mehrere Tage in Anspruch nehmen.

Am Institut für Intelligente Sensorik nutzt das Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Jens Anders zum Herstellen der bisher schweren Jochstrukturen kommerziell verfügbare Kunststoff-Filamente mit ferromagnetischen Partikeln, die zu den Kleinstmagneten des Sensoraufbaus harmonieren. Die 3Dgedruckte Strukturen aus leichtem, eisenhaltigem Kunststoff-Filament sind ein kostengünstiger Weg, um leistungsstarke und tragbare Magneten für spinbasierte Quantensensoren schnell herzustellen.

Die additive Fertigung ermöglicht eine freie Formgestaltung der Polstücke des Magneten, wodurch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Homogenität erzielt werden kann. Zudem lässt sich die Struktur innerhalb weniger Minuten im FDM -Verfahren (Fused Deposition Modeling) auf dem hauseigenen 3D-Drucker drucken. Der Prototyp zeigt, dass kommerzielle ferromagnetische Filamente für wichtige Teile der Magnetresonanzmagneten verwendet werden können.

Im Ergebnis kann das Gewicht des Sensors auf bis zu 16 Gramm reduziert werden und die Größe liegt bei nur noch wenigen Kubikzentimetern. Entsprechen günstig ist der Quantensensor auch: Die Kosten liegen bei etwa zwei Euro pro Magnet und die Produktionszeit liegt bei nur noch 30 Minuten.

"Die hohe Homogenität zusammen mit dem geringen Gewicht und der damit einhergehenden Portabilität sind echte Alleinstellungsmerkmale unserer Magnete", sagt Prof. Dr. Anders. "Derzeit planen wir eine Ausgründung, welche die gedruckten Magnete mit unseren chipintegrierten Spinsensoren verbindet, um tragbare spinbasierte Analysegeräte auf den Markt zu bringen."

Materialeffizienter Leichtbau dank leichter Quantensensoren
Für den Leichtbau eröffnet die Miniaturisierung der Sensoren durch Einsatzmöglichkeiten in der Werkstofffertigung weiteres Potenzial: die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung in situ sowie die mögliche Inline-Prozesskontrolle bei der Herstellung lassen eine Quantifizierung der Qualität von Faserverbundkunststoffen zu. Dadurch wird eine verbesserte Produktauslegung ohne die bisherigen großzügigen Sicherheitszuschläge möglich. So könnte sich in Zukunft dank der neuen leichten Magnete zusammen mit den chipintegrierten Spin-Quantensensoren zusätzlich Material und damit mittelbar auch CO2-Emissionen einsparen lassen.

Über das Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart
Das IIS beschäftigt sich mit der Forschung an miniaturisierten und skalierbaren Sensorsystemen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der spinbasierten Quantensensorik. Das Institut hat derzeit circa 30 Mitarbeitende.

Der ThinKing im Video
In unserer Videoserie „Leichtbau leicht erklärt“ stellen wir Ihnen den ThinKing innerhalb weniger Minuten vor: https://youtu.be/cSADYD4un-g