Sensoren der Zukunft: Quanten-Technologie in der industriellen Fertigung

Mit Quantensystemen können physikalische Größen wie Temperatur, Geschwindigkeit, elektrische und magnetische Felder oder Positionen mit einer wesentlich höheren Präzision gemessen werden als mit anderen bisher existierenden Sensoren. Ein für eine Serienfertigung nutzbarer Quantenoptik-Sensor wäre daher schon ein echter Sprung in die Zukunft der Fertigung einer ganzen Reihe von Produkten. „Quanten-Technologie ist die nächste Stufe für die Sensorik, denn sie verschiebt bisher fest verankerte technische Grenzen", bestätigt denn auch Dr. Robert Bauer, Vorstandsvorsitzender von Sick, dem süddeutschen Sensoren-Spezialisten.

Bisherige Sensoren nutzen hauptsächlich die Methoden der klassischen Physik – und wenn dabei bislang keine spezifischen Signale mehr messbar waren, waren damit auch die Möglichkeiten ausgereizt. Nun lassen sich mittels Quanteneffekten aus dem Signalrauschen heraus zusätzliche Details wahrnehmbar machen. Man ist versucht zu sagen, dass mit dieser neuen Genauigkeit ein „Quantensprung“ in der Entwicklung erreicht wird. Tatsächlich können Quantensensoren im Vergleich zu herkömmlicher Technik bei Magnet- oder Gravitationsfeldmessungen bis zu einer Million Mal genauer messen. Solche hochpräzisen Messungen und Erkenntnisse können zu völlig neuen Anwendungen in der Industrie führen.

Blitzschnelle Messung – vielseitige Anwendungsmöglichkeiten

Die Quantensensoren sollen die ultraschnelle Messung der Bewegung und Größenverteilung von Partikeln ermöglichen. Doch wie funktionieren sie? Mit Laserlicht wird ein Polarisations-Superpositionsmuster erzeugt das bereits bekannt ist. Die verschiedenen Polarisationszustände sind überlagert, was ermöglicht -– im Vergleich zu der Messung mit einem einfachen Laserstrahl – gleich drei Informationen über ein Partikel im Messstrahl auszulesen. Und das alles simultan. Es handelt sich dabei um die Größe des Partikels, seine Geschwindigkeit sowie die Richtung der Bewegung.

Dank Digitalisierung und Algorithmen entsteht „ein deutlich größeres Leistungsversprechen hinsichtlich der Prozess-Steuerung in der Industrie zu ermöglichen“, so die Entwickler in der Ausgabe Februar 2021 der Fachzeitung „Produktion“. Der Quantensensor soll dann in der Lage sein, Partikel zu vermessen, die ein fünftel Mikrometer klein sind. Damit können Partikelkontaminations-Quellen innerhalb des Herstellungsprozesses analysiert werden, was wiederum Produktions-Stillstände vermeiden hilft. Außerdem ist eine kontinuierliche Echtzeitmessung auch kleinster Partikel etwa in der Pulverherstellung möglich – wobei die Daten jederzeit online zur Qualitätssicherung abgerufen werden können.

Die Bandbreite reicht beim angeführten Beispiel Pulver von der Pharmaindustrie bis zur Zementherstellung und deutet nur knapp an, welche Bandbreite an möglichen Anwendungen im Raum stehen. Mit der Industrialisierung dieser Verfahren dürfte der Markt für Quanten-Sensorik zweifellos sehr schnell wachsen.

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