Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Materialschädigungen frühzeitig detektieren
Quantentechnologien eröffnen neue Wege zur Lösung technologischer Probleme. Das gilt auch für die Messtechnik: Quantenbasierte Sensoren verschaffen Zugang zu immer besseren Genauigkeiten und damit zur Beobachtung und Vermessung bislang unzugänglicher Prozesse. Insbesondere viele materialwissenschaftliche Anwendungen bieten große Chancen für den Einsatz von Quantensensoren – zum Beispiel, um Mechanismen besser zu verstehen, Prozesse weiter zu optimieren oder sicherheitsrelevante Komponenten zuverlässiger zu überwachen.
In der industriellen Qualitätssicherung sind magnetische Prüfverfahren und Sensoren schon lange etabliert und werden etwa zur Schädigungserkennung beim Drahtziehen verwendet. Der Grundgedanke dahinter ist, dass sich durch die Schädigung im Material magnetische »Bezirke« derart verändern, dass diese Änderung als Anomalie im magnetischen Streufeld zu erkennen ist. Aktuell gängige Verfahren leiden jedoch unter einer niedrigen Detektionsempfindlichkeit in Kombination mit einer reduzierten Ortsauflösung. Das heißt, die magnetischen Streufelder lassen sich nur gemittelt über relativ große Messvolumina erfassen.
Quantenmagnetometer für eine zerstörungsfreie mechanische Prüfung von Werkstoffen
Quantensensoren wie zum Beispiel optisch gepumpte Magnetometer (OPM) bieten der Messtechnik neue Möglichkeiten. Ähnlich wie Atomuhren nutzen sie atomare Konstanten, sodass man sie nicht kalibrieren muss. Zudem verringern quantenmechanische Prinzipien wie das der Verschränkung die statistische Messunsicherheit gegenüber klassischen Ansätzen. Dies führt zu robusten und hochempfindlichen Sensoren mit außerordentlichem Dynamikbereich.
In miniaturisierten optisch gepumpten Magnetometern (OPM) misst ein Laser anhand der Larmor-Frequenz das Magnetfeld in 1 mm³ Rubidium-Gas. Die Empfindlichkeit reicht aus, um in einem Probenvolumen von nur 0,1 mm³ Schädigungen durch Materialermüdung anhand der Magnetisierung zu erkennen.
Hohe Messempfindlichkeit für industrielle Anwendungen nutzbar machen
Fraunhofer IPM und Fraunhofer IWM arbeiten zusammen mit weiteren Partnern an der Entwicklung neuartiger magnetischer Messsysteme für die Materialprüfung. Die extrem hohe Empfindlichkeit der OPM von nur einem Millionstel des Erdmagnetfeldes ermöglicht eine hochauflösende magnetische Prüfung von Schädigungen in ferromagnetischen Werkstoffen – etwa von Spannungskonzentrationen an nicht perfekten Schweißnähten in Stahl.
Um diese Empfindlichkeit in industriellen Anwendungen nutzbar zu machen, arbeitet unser Team an neuen Komponenten wie Flussleitern als »magnetischen Prismen« zur Steuerung von Empfindlichkeit und Ortsauflösung, geeigneter Aktorik und speziellen Schirmungen gegen störende Magnetfelder der Umgebung. So können kritische Komponenten mit höchsten Anforderungen an die funktionale Sicherheit frühzeitig in der Produktion geprüft werden, obwohl die Umgebungsbedingungen hier alles andere als optimal für OPM sind.