"Faseroptische Sensorsysteme": Fraunhofer HHI und TU Clausthal kooperieren

Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) Berlin und die TU Clausthal haben gemeinsam die Abteilung »Faseroptische Sensorsysteme« gegründet. Die Gruppe entwickelt Sensorsysteme, die auf Basis von durch Licht erzeugten Resonanzen und mit Hilfe so genannter Mikro-Stimmgabeln Gaskonzentrationen in Echtzeit messen.

Optische Technologien drängen in immer mehr Anwendungsgebiete vor – auch in Bereiche, an die man zunächst gar nicht denkt (s. Markt&Technik-Sonderheft »Automatisierung und Messtechnik«, S. 51ff). Einige davon nehmen die Forscher der neu gegründeten Fraunhofer-HHI-Abteilung »Faseroptische Sensorsysteme« mit Sitz auf dem Energie-Campus in Goslar nun genauer unter die Lupe.

Ein Schwerpunkt der Gruppe liegt z.B. auf der Gassensorik. Als Grundlage für die dort untersuchten Technologien dient die Tatsache, dass sich nahezu jede gasförmige Substanz durch Lichtwellenlängen selektiv in Rotations- oder Schwingungszustände anregen lässt. Durch die gezielte Energiezufuhr von Licht »erwärmt« sich das Gas lokal, dehnt sich aus und erzeugt eine Druckwelle, die mit Hilfe von in Glasfasern integrierten Mikro-Stimmgabeln ermittelt wird. Dank neuer Methoden der Lasermaterialbearbeitung lassen sich derartige Stimmgabeln in nahezu beliebigen optischen Materialien fertigen und in optische Fasern integrieren. Diese »photo-akustische Spektroskopie« eignet sich u.a. zur selektiven und hochempfindlichen Bestimmung von Gaskonzentrationen.

Die Einsatzbereiche solcher Sensoren sind vielfältig, umso mehr, wenn man bedenkt, dass man durch die Vernetzung vieler Mikrosensoren ganze faseroptische Sensornetzwerke aufbauen kann, die in einer komplexen Umgebung selektiv unterschiedliche Stoffe messen und damit auch zur aktiven Prozesssteuerung eingesetzt werden können. In der Energietechnik, z.B. bei der Überwachung von Windkraftanlagen, lassen sich über faseroptische Sensoren punktgenau schadhafte Stellen in Energiekabeln ermitteln. Ebenso lässt sich der Brennwert fossiler Brennstoffe bestimmen. Optische Sensoren ermöglichen es auch, giftige oder explosive Stoffe einfach und frühzeitig nachzuweisen, etwa in Sicherheitssystemen bei Zugangskontrollen oder bei der Brandfrüherkennung. In der Medizin können sie Krankheiten wie TBC oder Krebs erkennen. Auch hier werden die Resonanz-Eigenschaften der Stoffe genutzt, mit Licht stimuliert und mit optischen Sensoren ausgelesen.

Im Vergleich zu elektrisch stimulierten Sensoren bieten die optischen Varianten eine Aufnahmegenauigkeit, die exakt auf die Wellenlänge des jeweiligen Gases abgestimmt ist. Und weil faseroptische Sensoren nur optische Signale verarbeiten, eignen sie sich auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen.

Die neue Abteilung ergänzt die Arbeiten des Heinrich-Hertz-Instituts auf dem Gebiet der photonischen Netze, Systeme und Komponenten. Die Kooperation wird für fünf Jahre vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur durch eine Anschubfinanzierung unterstützt.