Spinbasierte Sensorik Miniaturisierte Quantensensoren durch 3D-gedruckte Magnetgehäuse

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Bisher sind Magnetresonanzsensoren groß, unhandlich und schwer. Forscher am IIS der Universität Stuttgart haben jetzt deren Magnete miniaturisiert, in 3D-gedruckte Strukturen aus ferromagnetischem Kunststoff gebettet und spinbasierte Sensorik eingesetzt. So können die Quantensensoren um den Faktor 1.000 leichter werden.

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. Die Herstellung traditioneller Magnetresonanzmagnete ist aufwändig und kann mehrere Tage in Anspruch nehmen. Aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts waren die Einsatzmöglichkeiten der Magnetresonanzsensoren bisher deutlich limitiert.

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Das könnte sich bald ändern. Denn Forschende am Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart entwickeln mit Hilfe von kleineren Magneten und 3D-gedruckten Strukturen einen um den Faktor 1.000 leichteren und verkleinerten spinbasierten Quantensensor.

3D-gedruckte Jochstrukturen

Das Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Jens Anders nutzt zum Herstellen der bisher schweren Jochstrukturen den Kunststoff-3D-Druck. Er ermöglicht eine freie Formgestaltung der Polstücke des Magneten, wodurch nach eigenen Angaben eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Homogenität erzielt werden kann. Zudem lässt sich die Struktur innerhalb weniger Minuten im FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) drucken. Die additive Fertigung ist hier ein kostengünstiger Weg, um leistungsstarke und tragbare Magneten für spinbasierte Quantensensoren schnell herzustellen. Dabei werden kommerziell verfügbare Kunststoff-Filamente mit ferromagnetischen Partikeln eingesetzt, die mit den Kleinstmagneten des Sensoraufbaus harmonieren.

Nach Angaben der Wissenschaftler kann das Gewicht des Sensors von 16 Kiligramm auf bis zu 16 Gramm reduziert werden. Die Größe liegt bei nur noch wenigen Kubikzentimetern. Entsprechend günstig ist auch der so hergestellte Quantensensor: Die Kosten liegen bei etwa zwei Euro pro Magnet und die Produktionszeit beträgt nur noch 30 Minuten, heißt es.

Quantensensoren werden tragbar

Die vom IIS entwickelten 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 nun 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.

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