Quantensensor für Elektroautos
Präziser und schneller Magnetfeldsensor für Elektromobilität nutzt Stickstoff-Fehlstellen in Diamant.
Die Automobilindustrie steht aktuell vor einem Umbruch – erste Hersteller kündigten bereits ihren Ausstieg aus der Verbrennerproduktion an und wollen sich künftig voll und ganz auf die Elektromobilität konzentrieren. Effiziente und langlebige Energiespeicher spielen dabei eine Schlüsselrolle. Das neue Forschungsprojekt „Raumtemperatur-Quantensensorik für die Elektromobilität“ (RaQuEl) mit Peter Glösekötter und Ludwig Horsthemke von der FH Münster in Kooperation mit der Universität Leipzig sowie den Industriepartnern Quantum Technologies UG & Turck duotec und Elmos Semiconductor SE könnte die Strommessung in E-Auto-Akkus künftig deutlich verbessern. Die Wissenschaftler entwickeln optische Quantenmagnetfeldsensoren, die selbst geringe elektrische Ströme präzise und schnell messen und somit zum Beispiel Auskunft über den Lade- und Gesundheitszustand der Batterie geben. Dadurch wird der Ladevorgang sicherer. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Vorhaben mit 4,4 Millionen Euro.
Im Mittelpunkt der Quantentechnologie stehen in diesem Fall Diamanten mit einer hohen Dichte an Stickstofffehlstellen. Das bedeutet, dass das reine Kohlenstoffgitter des Diamanten durch Stickstoffatome verändert wurde. Die Defekte lassen den Kristall rot fluoreszieren, wenn er mit grünem Licht bestrahlt wird. Wie man diese Diamanten in Quantensensoren einsetzen kann, war Thema von Horsthemkes Masterarbeit, die er am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der FH Münster und im Unternehmen Elmos schrieb.
Seine Erkenntnisse haben maßgeblich dazu beigetragen, das Forschungsprojekt auf den Weg zu bringen. „Die Idee, Magnetfelder mithilfe von Stickstofffehlstellen in Diamanten zu vermessen, ist grundsätzlich nicht neu“, erklärt der Elektrotechnikabsolvent die Hintergründe seiner Studie. „Allerdings sind die bisherigen Verfahren teuer und kompliziert im Aufbau. Ein weiterer großer Nachteil ist, dass hochfrequente elektromagnetische Wellen, speziell Mikrowellen, erforderlich sind, die den Messort erhitzen und teilweise das Messergebnis beeinflussen.“
Horsthemke probierte für seinen Sensorprototypen unterschiedliche Diamantformen und -größen aus und entwarf verschiedene Schaltpläne. Sein Endergebnis ist nicht viel größer als eine Streichholzschachtel und basiert auf einem Bulk-Diamanten in der Dimension eines Stecknadelkopfes. Die Messung von elektrischen Strömen erfolge indirekt über das Magnetfeld, das jeden stromdurchflossenen Leiter umgibt, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter. „Wir beleuchten den Diamanten mit grünem Laserlicht und messen die Intensität seiner roten Fluoreszenz. Je stärker der elektrische Strom ist, desto stärker ist das erzeugte Magnetfeld und desto geringer ist die Fluoreszenz.“ Mit den bisherigen Messdaten ist Horsthemke schon sehr zufrieden. „Wir würden allerdings zukünftig lieber mit Nanodiamanten arbeiten“, ergänzt er. „Das wären sehr viele sehr kleine Diamanten, die weniger Probleme bei der Ausrichtung machen.“
Nach Abschluss seiner Masterarbeit, für die Horsthemke mit dem Sonderpreis „Interdisziplinarität“ der FH Münster ausgezeichnet wurde, arbeitet der Elektroingenieur nun weiter als wissenschaftlicher Mitarbeiter in dem Forschungsprojekt und promoviert parallel an der Universidad de Granada in Spanien. „Wir freuen uns, dass wir dieses Vorhaben in den kommenden drei Jahren gemeinsam weiterverfolgen können“, betont Projektleiter Glösekötter. „Die Quantentechnologie bei Raumtemperatur hat großes Potenzial für die mobile Sensorik. Insbesondere die Elektromobilität profitiert von unserem kostengünstigen, präzisen und kompakten Messverfahren.“
FH Münster / DE
