Sensorhaut als Schadensmelder

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Windkraftanlagen, Maschinen, Flugzeuge, aber auch Raumschiffe sind hohen Belastungen ausgesetzt. Hauchdünne Folien schlagen Alarm, wenn es zuviel wird.

Sensorfolien sind schon länger ein beliebtes Forschungsobjekt. Manche arbeiten ähnlich einer 3D-Kamera für Gestensteuerung, andere verwandeln den Unterarm in einen Touchscreen, wieder andere registrieren Druckveränderungen, um die strukturelle Integrität von Bauwerken oder Maschinen zu überwachen. Gemeinsam ist ihnen, dass sie dünn sind, sehr dünn. Und in der Regel transparent. Auch unterstützen die meisten eine ganze Reihe von verschiedenen Anwendungen. Die Technologie auf und in den Folien allerdings unterscheidet sich grundlegend.

So hatte etwa das belgische Forschungszentrum IMEC schon 2008 eine optische Sensorhaut entwickelt, die Belastungen und Beschädigungen bei Flugzeugflügeln, Rotorblättern oder Windrädern registrierte. Dazu wurden gängige Photodetektoren und Laserdioden aus Galliumarsenid auf eine Dicke von 30 Mikrometer reduziert und in eine flexible Folie aus transparentem Material eingebettet. Für den „Connect“ sorgte ein ebenfalls integriertes Lichtwellenleitsystemen.

Sensorhaut mit Quantenpunkten

Die gleiche Anwendung adressieren nun Wissenschaftler/innen des Zentrums für Mikrotechnologien der TU Chemnitz und des Fraunhofer ENAS innerhalb des Bundesexzellenzclusters MERGE auf der Basis von Quantenpunkten (quantum dot, QD). Das sind ziemlich spannende Nanokristalle, hergestellt meist aus Halbleitermaterialien. In ihnen ist die Beweglichkeit der Ladungsträger (Elektronen, Löcher) in alle drei Raumrichtungen so stark eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann. Diese Quanteneffekte verleihen ihnen höchst interessante optische, magnetische und elektronische Eigenschaften, die zudem maßgeschneidert werden können.

So ändert die mehrlagige Sensorfolie aus Chemnitz mit fluoreszierenden Nanopartikeln unter Belastung ihre Helligkeit und speichert den Zustand eine gewisse Zeit. Die winzigen Halbleiter-Nanokristalle fungieren dabei wegen ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern und Ladungen als Nanosensoren.

Herzstück der Anordnung ist die Kombination piezoelektrischer Elemente mit der Quantumdot-Komposit-Schicht. Damit wird die mechanische Belastung in eine Photolumineszenz der Partikel umgewandelt und als optischer Kontrast sichtbar. Da diese Nanosensoren ohne Energieversorgung auskommen, sind energieautarke Überwachungen großer Flächen oder Bauteile mit nahezu jeder beliebigen Form möglich. Das können etwa Rotorblätter, Radaufhängungen, Leichtbauteile aber auch Motorradhelme sein.

Aus der Weltraumforschung

Einen „außerirdischen“ Ansatz verfolgt die NASA mit ihrem „Flexible Damage Detection System„. Ihre Sensorhaut für Flugkörper lokalisiert kleinste Schäden in Echtzeit. Die Außenhüllen in der Raumfahrt sind nämlich während des Flugs immer noch kaum zu überwachen. Und das, obwohl millimetergroße Mikrometeoriten sich in der erdnahen Umlaufbahn (200 – 2000 km) mit bis zu 28 000 Km/h bewegen, im Weltall sind es dann 38 400 Km/h. Gleichzeitig können schon minimalste Schäden an einer Rakete oder Raumkapsel fatale Auswirkungen haben.

In der neuen NASA-Haut sollen das mehrere Technologien verhindern. Wichtigstes Bestandteil sind jedoch Niedervolt-Stromkreise, die auf dünne Materialschichten gedruckt sind. Kontinuierlich überwacht von einem Computer, können damit kleinste Einschläge genau lokalisiert werden.

Da die Weltraumforschung oft auch Auswirkungen auf uns Erdlinge hat – keine Küche ohne Teflon -, lassen sich mit der Technologie in Zukunft natürlich auch „erdnahere“ Anwendungen wie etwa auf Flugzeugen vorstellen.

Sensorhaut Würth Electronik

Sensorfolien reagieren wie eine „intelligente Haut“ auf Berührungen und Verformungen. (Bild: Würth Electronik).