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Materialanalyse Quantenmagnetometer erkennt unsichtbare Materialdefekte sicher

Quelle: Fraunhofer-IAF 2 min Lesedauer

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Quantenmagnetometer sind in der Lage, winzige Schädigungen in ferromagnetischen Materialien aufzuspüren und sichtbar zu machen. Forscher machen sie jetzt industrietauglich.

Forscher machen jetzt Quantenmagnetometer industrietauglich. Dazu nutzen sie etwa optisch gepumpte Magnetometer (OPM), die sich durch ihre extrem hohe Magnetfeldempfindlichkeit auszeichnen. Sie können so auch mikrofeine Materialschädigungen detektieren.(Bild: Fraunhofer-IAF)
Forscher machen jetzt Quantenmagnetometer industrietauglich. Dazu nutzen sie etwa optisch gepumpte Magnetometer (OPM), die sich durch ihre extrem hohe Magnetfeldempfindlichkeit auszeichnen. Sie können so auch mikrofeine Materialschädigungen detektieren.
(Bild: Fraunhofer-IAF)

In der Luft- und Raumfahrttechnik oder in der Automobilindustrie können Quantenmagnetometer dazu beitragen, die Resilienz und Sicherheit von Systemen und Werkstoffen erheblich zu steigern. Zu diesem Ergebnis sind zumindest die Forscher im Rahmen des kürzlich beendeten Fraunhofer-Leitprojekts Quantenmagnetometrie kurz, „QMag“, gekommen. Darüber hinaus haben sie den Einsatz von Quantenmagnetometern in der Biomedizin, Durchflussmessung und der Chipherstellung untersucht.

Quantenmagnetometer – bisher zu groß oder nicht verfügbar

Strukturdefekte wie Risse, Ausscheidungen oder weitere Unregelmäßigkeiten in metallischen Materialien führen zu lokalen Veränderungen im Magnetfeld, welche sich mit Magnetometern zerstörungsfrei prüfen lassen, wie die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF erklären. Quantenmagnetometer sind, wie betont wird, dabei deutlich empfindlicher und können selbst winzige magnetische Veränderungen in Materialien aufspüren. In den oben genannten Industriesektoren ist es sehr wichtig, die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit der Werkstoffe sicherzustellen. „Allerdings sind die bisherigen Technologien entweder zu groß oder stehen der Industrie nicht zur Verfügung“, sagt Prof. Dr. Rüdiger Quay, Leiter des IAF und Projektverantwortlicher.

Im Projekt hat man deshalb Quantensensoren für konkrete industrielle Anwendungen untersucht und weiterentwickelt. Dafür arbeiteten sie mit zwei komplementären Ansätzen: Zum einen nutzten sie optisch gepumpte Magnetometer (OPM), die sich durch ihre extrem hohe Magnetfeldempfindlichkeit auszeichnen, zum anderen verwendeten sie bildgebende Quantenmagnetometer auf der Basis von NV-Zentren in Diamant, die eine sehr gute Ortsauflösung bieten, wie es heißt.

Neue Chancen für die industrielle Bauteilprüfung

Beide Vorgehensweisen funktionieren außerdem bei Raumtemperatur und eignen sich für die industrielle Anwendung. Die Forschungsergebnisse zeigten, dass die Quantenmagnetometer bereits Veränderungen im Magnetfeld der Proben detektieren, wenn die Materialermüdung noch längst nicht sichtbar sei. Die Forscher haben mithilfe der OPM dazu die Änderungen des Magnetfelds ferromagnetischer Materialproben gemessen, während diese zyklisch ermüdet wurden. So hat man zeigen können, dass Quantenmagnetometer kleinste Materialdefekte viel früher erkennen als herkömmliche Methoden. Auch konnte die Messdauer verkürzt werden, was für den Einsatz in industriellen Prozessen, man denke an die Bauteilprüfung, das Ganze sehr attraktiv macht. In der Materialprüfung können OPM und NV-Magnetometer auch komplementär eingesetzt werden. Während die OPM ein dynamisches Signal aus der ganzen Probe liefern, kann die NV-Magnetometrie die magnetischen Eigenschaften einzelner Schäden auf der Mikro- und Nanoskala im Detail messen, wie es zu dieser Kombination heißt.

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