Auszeichnung für Quantensensoren: Klein und leicht dank 3D-Druck

21. April 2022

16 Gramm statt 16 Kilogramm: Für ihren leichten, kleinen Quantensensor erhalten Forschende des Instituts für intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart die Auszeichnung "ThinKing April 2022".

Auszeichnung für die Universität Stuttgart: Der ThinKing April 2022 der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg geht an das Institut für intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart. Die Forschenden unter Leitung von Prof. Dr. Jens Anders entwickeln dort mit Hilfe von 3D-gedruckten Strukturen einen um den Faktor 1.000 leichteren und verkleinerten Quantensensor. „3D-Druck bietet die Möglichkeit, leichte und zugleich hochpräzise Magnete für Quantensensoren zu realisieren“, erklärt Prof. Dr. Jens Anders. Kleinere Magnete und additiv gefertigte Strukturen führen so zu einer Miniaturisierung der bisher großen und unhandlichen Sensoren.

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. Mit dem Label „ThinKing“ gibt die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

Prof. Jens Anders mit dem kleinsten Quantensensor in seiner linken Hand. In der rechten Hand ein teilweise 3D-gedruckter Magnet mit größerem Probenvolumen und mechanischen Shimmingstrukturen. Zum Vergleich auf dem Boden ein Elektromagnet üblicher Bauart für Magnetresonanzexperimente (rechts unten im Bild).

Leichtbau revolutioniert die Magnetresonanz-Messtechnik

Bisher sind Quantensensoren beispielsweise für MRT-Untersuchungen in der Medizintechnik groß, unhandlich und schwer. Mit ihrer Arbeit gelang es den Forschenden, die Sensoren auf die Größe einer Euro-Münze zu verkleinern. Erreicht wurden:

  • geringeres Gewicht: Die Sensoren sind leichter: 16 Gramm statt etwa 16 Kilogramm. Der Faktor 1.000 in der Gewichtsreduzierung ist ein Quantensprung für den Quantensensor.
  • kurze Produktionszeit: Die Quantensensoren lassen sich durchschnittlich innerhalb von einer halben Stunde herstellen.
  • geringere Kosten: Inklusive Material kostet ein leichter Quantensensor nur wenige Euro und wird deutlich kostengünstiger
  • neue gerätetechnischen Möglichkeiten: Durch mittels Chipintegration miniaturisierte Elektronik lassen sich aus den Magnetresonanzsensoren tragbare, spinbasierte Analysegeräte entwickeln, die in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz kommen.

Breitgefächerte Einsatzgebiete

Die Magnete können in Magnetresonanzsensoren für die Kernspin- und Elektronenspinresonanz 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.

Laborprototypen gedruckter Magnete unterschiedlicher Feldstärken und Homogenitätsklassen:

Ausgründung geplant

„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.“

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.

Video zur Forschungsarbeit am IIS

Kontakt

Prof. Dr. Jens Anders, Institut für intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart

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