Bisher waren Quantensensoren groß, unhandlich und schwer. Was aber wäre, wenn man diese Sensoren auf die Größe eines Euro-Stücks schrumpfen könnte? Das gelingt am Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart. Die Forschenden entwickeln mit Hilfe von 3D-gedruckten Strukturen einen um den Faktor 1.000 leichteren und verkleinerten Quantensensor.
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.
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 3D-gedruckten Strukturen aus leichtem, eisenhaltigem Kunststoff-Filament sind ein kostengünstiger Weg, um leistungsstarke und tragbare Magneten für spinbasierte Quantensensoren schnell herzustellen.
Freie Formgestaltung der Polstücke des Magneten
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 Fused-Deposition-Modeling -Verfahren (FDM-Verfahren) 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, Leiter des IIS der Universität Stuttgart. „Derzeit planen wir eine Ausgründung, welche die gedruckten Magnete mit unseren chipintegrierten Spinsensoren verbindet, um tragbare spinbasierte Analysegeräte auf den Markt zu bringen.“
Dank FDM-Verfahren zum portablen System
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.
Quantensensoren finden Einsatz in der Werkstoffprüfung
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. (eve)
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.
