Quantensprung für Quantensensor: um den Faktor 1.000 leichter
Einer Forschergruppe der Universität Stuttgart gelang der Durchbruch bei der Entwicklung neuer Quantensensoren. Mithilfe des 3D-Drucks sind die Sensoren nun nicht nur kleiner, sondern vor allem viel leichter. Dadurch ergeben sich zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten.
Jens Anders hat mit seinem Team den kleinsten Quantensensor entwickelt. Er hält ihn in der linken Hand.
Foto: IIS Universität Stuttgart
Quantensensoren sollen die Medizintechnik revolutionieren. Sie liefern äußerst präzise Messergebnisse, bieten sehr gute Eigenschaften aufgrund der Kombination räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit. Darüber hinaus lassen sie sich vielseitig miteinander kombinieren. Auch die Klimaforschung und die Navigationssysteme könnten von solchen hochempfindlichen Sensoren profitieren, sofern sie in Serie produziert entsprechend klein und günstig sind. Einem Forschungsteam unter der Leitung von Jens Anders, Institutsleiter für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) an der Universität Stuttgart, ist nun der Durchbruch gelungen. Sie entwickelten einen Quantensensor, der nur 16 Gramm wiegt. Dafür erhielten sie jüngst die Auszeichnung „ThinkKing April 2022“ der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg.
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Normalerweise sind Quantensensoren groß, schwer und unhandlich. Das macht sie für den Einsatz in der Medizintechnik eher unbrauchbar. Da sie aber viel bessere Ergebnisse erzielen, als die Sensoren, die beispielsweise in MRT-Geräten eingebaut sind, war der Ansporn groß. Zum Vergleich: Herkömmliche Sensoren dieser Art wiegen etwa 16 Kilogramm. Damit ist es den Forschenden gelungen, allein das Gewicht um den Faktor 1.000 zu reduzieren.
Quantensensor ist kleiner, leichter und schneller herstellbar
Doch damit nicht genug. Die Forschergruppe konnte noch weitere entscheidende Vorteile weiterentwickeln: Sie reduzierten die Produktionszeit und schafften es, die Quantensensoren innerhalb einer halben Stunde herzustellen. Das deutlich geringere Gewicht bringe den weiteren positiven Effekt, dass für die Produktion deutlich weniger Material verbraucht werde. Das mache den neuen Sensor natürlich zugleich deutlich kostengünstiger. Die kleine Größe, das geringe Gewicht und die rasche Herstellung eröffne dem Mini-Quantensensor ganz neue Möglichkeiten. So ließen sich aus Magnetresonanzsensoren tragbare, spinbasierte Analysegeräte entwickeln, die in ganz unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden könnten. Das sei machbar aufgrund der miniaturisierten Elektronik und mithilfe der Chipintegration.
Gelungen ist dem Forscher-Team dieser Durchbruch bei den Quantensensoren mittels 3D-Druck. „3D-Druck bietet die Möglichkeit, leichte und zugleich hochpräzise Magnete für Quantensensoren zu realisieren“, sagt Jens Anders. Die bislang großen und eher unhandlichen Sensoren ließen sich auf diese Art und Weise miniaturisieren. Die Basis dafür stellten kleinere Magnete und additiv gefertigte Strukturen dar.
Mini-Quantensensoren liefern exaktere Ergebnisse
Die Forschenden haben auch schon einen konkreten Einsatzbereich ihrer neuen Quantensensoren vor Augen: So könnten die Magnete in Magnetresonanzsensoren genutzt werden. Diese würden zum Beispiel die Analyse des chemischen Aufbaus von Molekülen oder der chemischen Zusammensetzung von Gemischen deutlich verbessern. So könne die Kernspin- und Elektronenspinresonanz exaktere Ergebnisse liefern. Konkret gesagt: Sie ermöglichen aufgrund ihres geringen Gewichts und Ausmaßen den Einsatz in portablen Systemen für sogenannte Point-of-use- und Point-of-care-Messungen. Damit sind Untersuchungen gemeint, die in unmittelbarer Nähe zur Versorgung von Patientinnen und Patienten durchgeführt werden, also beispielsweise statt im Krankenhauslabor, direkt auf der Station. Zu solchen Untersuchungen gehören unter anderem die Werte der Blutgerinnung.
Die Forschenden sind überzeugt, dass ihr neuer Quantensensor neben der Medizintechnik auch in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung im Leichtbau, der Qualitäts- und Gütekontrolle in der Herstellung von Faserverbundstoffen wie CFK, also carbonfaserverstärktem Kunststoff, und GFK, glasfaserverstärktem Kunststoff, sowie in der sogenannten Inline-Prozesskontrolle radikalischer Polymerisationen zum Einsatz kommen könne. Schließlich ließen sich mit ihm verschiedene organische Flüssigkeiten, zum Beispiel Blut und Urin, untersuchen, aber auch weiche und flüssige Lebensmittel wie Milch oder Butter sowie Polymere, biologisches Gewebe und poröse Materialien.
Mini-Quantensensoren sollen in Serie gehen
Ihre ersten Ergebnisse wollen die Forschenden nun zur Serienreife bringen. „Die Homogenität zusammen mit dem geringen Gewicht und der damit einhergehenden Portabilität sind echte Alleinstellungsmerkmale unserer Magnete“, erläutert Anders. Deshalb sei auch eine Ausgründung geplant mit dem Ziel, die gedruckten Magnete mit den chipintegierten Spinsensoren zu verbinden, um tragbare spinbasierte Analysegeräte auf den Markt zu bringen.
Das Label „ThinkKing“ vergibt die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg jeden Monat für innovative Produkte oder Dienstleistungen im Leichtbau und bietet dem Thema damit eine Plattform.
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