03.06.2020 • PhotonikOptik

Ein Spektrometer für jedermann

Klein genug für die Integration in Smartphones – viele Anwendungsmöglichkeiten im Alltag.

Mit 1,5 Millionen Euro fördert das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung bis zum Jahr 2023 ein Projekt der Arbeits­gruppe von Marius Grund­mann am Felix-Bloch-Institut für Fest­körper­physik der Uni Leipzig. Ziel des Vorhabens: Ein Spektro­meter zu entwickeln, das so winzig ist, dass es zum Beispiel in einem Smartphone Platz findet. In den kommenden drei Jahren soll die in der Theorie weit­gehend fertig­gestellte Entwicklung zu einem gebrauchs­fertigen Demonstrations­produkt abge­schlossen sein.

Abb.: Marius Grundmann in seinem Labor – der Forscher entwickelt ein...
Abb.: Marius Grundmann in seinem Labor – der Forscher entwickelt ein Spektrometer für jedermann. (Bild: S. Reichhold, U. Leipzig)

Spektrometer werden überall verwendet: in der Lebens­mittel­industrie, in der Medizin, bei der Unter­suchung von Ökosystemen. Per Spektral­analyse lassen sich zum Beispiel die Eigen­schaften von Objekten, Geweben oder auch Stoffen unter­suchen. Die dabei einge­setzten Spektro­meter sind in der Regel relativ groß und sehr teuer. Das momentan kleinste verfügbare derartige Instrument hat etwa die Größe des obersten Daumen­gliedes eines Erwachsenen – immer noch viel zu groß, um es in einem nur wenige Milli­meter starken Smartphone unter­zubringen. Dem soll das Validierungs­projekt UltraSPEC2 abhelfen, das ein ultra­kompaktes Spektro­meter zum Ziel hat.

Am Ende der Entwicklung soll laut Grundmann ein nur etwa einen Milli­meter langes und extrem flaches Spektro­meter stehen. Die Grund­lagen dafür wurden am Felix-Bloch-Institut bereits gelegt. Hier unter­suchten Grund­mann und seine Kollegen die unter­schied­lichen Eigen­schaften von Legierungen verschiedener Halb­leiter. Je nach verwendeter Legierung konnten andere Farben aus dem Licht­spektrum absorbiert werden. Nun steht eine Mischung von Halb­leitern im Fokus, mit denen die Band­lücken Spektral­bereiche komplett abbilden werden können. Mit den in der Vorbereitungs­phase des jetzt geförderten Projekts erzielten Ergebnissen konnte die Grundmann-Gruppe die Experten im BMBF überzeugen.

Werden derzeit Spektrometer vor allem in der Wissen­schaft und der Industrie eingesetzt, so könnte das neue Spektro­meter tatsächlich den Weg zum Verbraucher finden. Mit Hilfe des Instruments wäre es beispiels­weise möglich, Banknoten auf bestimmte Sicherheits­komponenten hin zu über­prüfen und so deren Echtheit bestimmen. Kunden könnten im Laden fest­stellen, ob Wolle komplett durch­gefärbt ist oder nicht und ob bei der Produktion eines Gewebes Giftstoffe einge­setzt wurden. Mit dem kleinen Spektro­meter könnten Pigment­flecken auf der Haut daraufhin geprüft werden, ob es sich um harmlose Verfärbungen handelt oder ob eine genauere Unter­suchung auf Hautkrebs zu empfehlen ist. „Je mehr Anwendungen realisiert werden und je mehr Nutzer es gibt, desto größer können Daten­banken werden, die aus Mess­ergeb­nissen aufgebaut werden“, so Grundmann. Nutzer könnten nicht nur Daten zuliefern, sondern auch aus spezifischen Daten­banken Daten auf ihr Smartphone laden.

Bei der weiteren Arbeit sollen auch Vertreter aus der Wirtschaft mit einbezogen werden. Diese könnten zum Beispiel spezifische Anforderungen formulieren, die sie an das Spektro­meter haben. Damit wäre eine zielgenaue Entwicklung realisierbar. Mit immer neuen Anwendungen, die auf den Daten des Spektro­meters basieren, könnte dessen Verbreitung deutlich zunehmen. „Steigende Zahlen in der Produktion führen dann sicher auch zu sinkenden Preisen“, ist sich Grund­mann sicher. Von Kosten von mehreren tausend Euro, die heute bei Groß­spektro­metern zu Buche schlagen, wäre bei dem Winzling dann keine Rede mehr. Dieser wäre dann tatsächlich für jedermann erschwinglich – und von Nutzen.

U. Leipzig / RK

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