30.05.2006

Brandwarnung nach Käferart

Physik Journal - Das wärmeempfindliche Organ eines Kiefernprachtkäfers dient als Vorbild für einen neuen Infrarotsensor.


Brandwarnung nach Käferart

Physik Journal - Das wärmeempfindliche Organ eines Kiefernprachtkäfers dient als Vorbild für einen neuen Infrarotsensor.

Der Schwarze Kiefernprachtkäfer (Melanophila acuminata) hat einen Sinn für Waldbrände. Nicht um davor zu fliehen, sondern um in der verkohlten Rinde seine Eier abzulegen, während die meisten anderen Insekten frische Brandflächen meiden. Der Kiefernprachtkäfer kann Waldbrände noch aus 80 Kilometern Entfernung aufspüren. Möglich machen dies etwa 70 winzige, mit Wasser gefüllte Kammern unter seinem Panzer. Die sich bei Wärme ausdehnende Flüssigkeit reizt mechanosensitive Nervenzellen und dient so als hoch empfindlicher Wärmesensor. Deren Empfindlichkeit wurde in Verhaltensexperimenten auf etwa 60 μW/cm 2 abgeschätzt.

Nach diesem biologischen Vorbild haben nun Forscher des Bonner Forschungszentrums caesar in Zusammenarbeit mit Zoologen der Universität Bonn einen bionischen Infrarotfühler entwickelt, dessen mechanosensitives Messprinzip deutlich günstigere, empfindliche Infrarotdetektoren für Feuermelder und Wärmekameras ermöglichen soll.

Abb.: Elektrodenstruktur des Infrarotsensors (links) nach Vorbild des wärmeempfindlichen Organs des Kiefernprachtkäfers (rechts). (Fotos: caesar, Uni Bonn)

Die caesar-Forscher stellten dazu mit lithografischen Methoden einen winzigen Hohlraum in einem dünnen Siliziumwafer her. An seiner Unterseite befindet sich ein für Infrarotstrahlung transparentes Fenster. Statt auf mechanosensitive Nervenzellen wie beim Käfer greifen die Entwickler um Markus Löhndorf auf eine drei Mikrometer dünne Membran zurück. Mit einem Ionenstrahl bohrten sie in diese Membran einen winzigen Kanal mit 500 Nanometer Durchmesser, der sich durch ein darüber angeordnetes Elektrodenpaar fortsetzt. Wie in einer Kapillare dehnt sich bei Wärmezufuhr die Flüssigkeit in diesem Hohlraum aus. Sobald der Meniskus der Flüssigkeit zwischen die Elektroden gelangt, ändern sich der elektrische Widerstand und die Kapazität. Volumenänderungen der Flüssigkeit um nur 0,0001 μm 3 äußern sich in messbaren Kapazitätsschwankungen von wenigen Picofarad. Die nur 2×10 –4 Kubikmillimeter kleine und mit einer ionischen Flüssigkeit gefüllte Kammer soll Messgenauigkeiten im Millikelvin-Bereich ermöglichen. Der Messbereich könnte mit verschiedenen, ionischen Flüssigkeiten an den jeweiligen Bedarf angepasst werden.

Noch handelt es sich bei diesem mikrofluidischen Wärmesensor lediglich um eine Machbarkeitsstudie. Doch die caesar-Forscher sind optimistisch, aus ihrem funktionierenden Prototyp in zwei bis drei Jahren erste Produkte zu entwickeln, wie z. B. ein Wärmesensor als Brandmelder oder auch eine hochauflösende Wärmekamera aus den mikrofluidischen IR-Sensoren.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Juni 2006, S. 14

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