Quantenmagnetometer sind in der Lage, kleinste Schäden in ferromagnetischen Materialien zu erkennen und sichtbar zu machen. In der Luft- und Raumfahrttechnik oder der Automobilindustrie können sie dazu beitragen, die Belastbarkeit und Sicherheit von Systemen und Materialien deutlich zu erhöhen.
Zu diesem Ergebnis kommen Forscher des kürzlich abgeschlossenen Fraunhofer-Leuchtturmprojekts QMag. Sie untersuchten auch den Einsatz von Quantenmagnetometern in der Biomedizin, der Durchflussmessung und der Chipproduktion.
Strukturfehler wie Risse, Ausscheidungen oder andere Unregelmäßigkeiten in metallischen Werkstoffen führen zu lokalen Veränderungen des Magnetfeldes, die mit Magnetometern zerstörungsfrei überprüft werden können. Quantenmagnetometer sind wesentlich empfindlicher als herkömmliche Technologien und können selbst kleinste magnetische Veränderungen in Materialien erkennen.
„In der Automobil- und Luft- und Raumfahrttechnik kommt es darauf an, die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Materialien sicherzustellen, doch die bisher eingesetzten Technologien sind entweder zu umfangreich oder für die Industrie nicht verfügbar“, sagt Prof. Dr. Rüdiger Quay, Projektleiter von QMag und Direktor des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF.
Im Projekt „Quantenmagnetometrie“, kurz QMag, haben Fraunhofer-Forscher Quantensensoren für konkrete industrielle Anwendungen untersucht und weiterentwickelt. Sie arbeiteten mit zwei komplementären Ansätzen: Einerseits verwendeten sie optisch gepumpte Magnetometer (OPMs), die sich durch eine extrem hohe Magnetfeldempfindlichkeit auszeichnen, und andererseits verwendeten sie bildgebende Quantenmagnetometer auf Basis von Stickstoffleerstellen (NV). Zentren in Diamant mit extrem hoher räumlicher Auflösung.
Beide Technologien funktionieren bei Raumtemperatur und sind für industrielle Anwendungen geeignet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Quantenmagnetometer Veränderungen im Magnetfeld der Proben auch dann erkennen, wenn die Materialermüdung noch nicht sichtbar ist.
Die Forscher verwendeten OPMs, um die Veränderungen im Magnetfeld ferromagnetischer Materialproben zu messen, während diese zyklischer Ermüdung ausgesetzt waren. Sie haben damit gezeigt, dass Quantenmagnetometer kleinste Materialfehler viel früher erkennen als herkömmliche Technologien. Außerdem konnte die Messzeit verkürzt werden, was für den Einsatz in industriellen Prozessen wie der Bauteilprüfung sehr wichtig ist.
In der Materialprüfung können OPMs und NV-Magnetometer komplementär eingesetzt werden: Während OPMs ein dynamisches Signal der gesamten Probe liefern, können mit der NV-Magnetometrie die magnetischen Eigenschaften einzelner Schäden auf der Mikro- und Nanoskala detailliert gemessen werden.
„Quantenmagnetometer können bei der Materialprüfung helfen, den Ausfall ferromagnetischer Bauteile abzuschätzen, bevor die Materialien erkennbare Risse aufweisen. Dies spielt insbesondere bei sicherheitskritischen Bauteilen eine wichtige Rolle“, sagt Dr. Simon Philipp, Forscher am Fraunhofer-Institut für Mechanik Materialien IWM.
Weitere Anwendungen in der Biomedizin, Durchflussmessung und der Chipindustrie
Den Forschern ist es außerdem gelungen, ein neues NV-Magnetometer zu entwickeln, das zu schnelleren Ergebnissen bei der Materialprüfung führt und sogar weitere Anwendungen ermöglicht: Das Weitfeldmagnetometer misst Magnetfelder über eine große Probenfläche in sehr kurzer Zeit und eignet sich daher für schnelle Messungen in industriellen Anwendungen.
„Das Weitfeldmagnetometer kann zur Charakterisierung und Optimierung ferromagnetischer Materialien eingesetzt werden, eignet sich aber auch sehr gut für Anwendungen in der Biomedizin und Medizintechnik. Organische Proben können zerstörungsfrei und bildgebend untersucht werden“, sagt Niklas Mathes, Forscher am Fraunhofer IAF.
Einen weiteren Erfolg erzielten die Forscher mit dem Einsatz von OPMs in der Durchflussmessung: Sie haben eine völlig neue Methode zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in einem Rohr auf Basis von OPMs entwickelt. Die magnetometrische Durchflussmessung ist eine berührungslose Methode, die auf eine Vielzahl von Medien anwendbar ist und sich für den Einsatz in der Prozesskontrolle eignet. Diese Methode stellt einen erheblichen Fortschritt dar, da bisherige Methoden der Durchflussmessung meist invasiv sind.
Das Projektteam untersuchte auch den Einsatz von Quantenmagnetometern in der Mikro- und Nanoelektronik sowie der Chipproduktion und identifizierte enormes Potenzial: In der Qualitätskontrolle können Quantenmagnetometer eingesetzt werden, um elektrische Schaltkreise zu vermessen und beispielsweise fehlerhafte Transistoren sofort zu erkennen.
Prüfeinrichtungen für die Industrie
Um die Forschungsergebnisse der Industrie zugänglich zu machen und die entwickelten Technologien für konkrete Anwendungen zu testen, wurden im Rahmen des Projekts zwei Testanlagen aufgebaut. Am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM wurde ein magnetisch abgeschirmter Raum eingerichtet, der für Testmessungen genutzt werden kann.
„Die magnetische Umgebung in der Prüfanlage hat ein Restfeld von weniger als 5 Nanotesla und bietet eine sehr hohe Rauschunterdrückung. Dadurch können wir selbst kleinste magnetische Felder messen, die durch Gehirnwellen erzeugt werden. Wir stellen diese Umgebung der Industrie für Messdienstleistungen zur Verfügung, “ erklärt Dr. Peter Koss, Forscher am Fraunhofer IPM.
Um den Transfer von Quantenmagnetometern in die Industrie zu erleichtern, wurde am Fraunhofer IAF eine weitere Testanlage aufgebaut, die mehrere NV-Magnetometer enthält. Es ermöglicht interessierten Unternehmen, insbesondere KMU und Start-ups, den Nutzen und das Potenzial von Quantenmagnetometern für ihre spezifischen Anforderungen zu bewerten.
Bereitgestellt vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF