Der Nachweis von Eisen ist in vielen Bereichen wichtig – von der Lebensmittelindustrie über die Gesundheitsforschung bis hin zur Maschinenwartung. Die präzise Messung und Lokalisierung von Eisenpartikeln ist jedoch aufgrund des schwachen Magnetfelds, das sie erzeugen, eine technische Herausforderung.
Prof. Dr. Joris Pascal, Leiter der Forschungsgruppe „Sensorsysteme für Diagnose und Therapie“, und die Doktorierenden Céline Vergne und Hugo Nicolas aus Pascals Forschungsgruppe haben eine innovative neue Methode zur Eisenerkennung entwickelt. Diese Methode, die auf der IEEE-Konferenz Sensors 2024 in Kobe, Japan, vorgestellt wurde, verwendet eine spezielle Magnetfeldkamera, die Eisen mithilfe hochauflösender Magnetfeldsensoren sichtbar machen kann.
Magnetfeldkamera und Farbkarte
Wie funktioniert die Magnetfeldkamera?
Die Magnetfeldkamera besteht aus einer Anordnung von 64 hochempfindlichen Magnetsensoren in einem 8 × 8-Gitter. Jeder Sensor kann kleinste Veränderungen im Magnetfeld registrieren: Wenn sich Eisen in der Nähe der Kamera befindet, stört es das Magnetfeld, ähnlich wie ein kleiner Magnet. Die Sensoren zeichnen diese Störungen auf und zeigen sie als digitales Bild an, das die genaue Position und Menge des Eisens verrät.
Dank ihrer hohen Auflösung können die Sensoren schwache Magnetfelder mit einer Genauigkeit von 42 Nanotesla (nT) erkennen – weniger als ein Hunderttausendstel des Magnetfelds eines Haushaltsmagneten. Darüber hinaus misst die Kamera bis zu 110 Mal pro Sekunde, sodass sie auch bewegte Eisenteilchen sicher erkennen kann. Derart hochauflösende und schnelle Messungen waren bisher nicht möglich und eröffnen völlig neue Möglichkeiten, Eisen zuverlässig zu erkennen.
Wo wird diese Technologie eingesetzt?
Diese innovative Magnetfeldkamera könnte die Leistung in einem breiten Spektrum von Anwendungen erheblich verbessern:
- Lebensmittelanalysen: Eisen ist ein essentielles Spurenelement und besonders wichtig für die Beurteilung der Ernährungsqualität. Mit der Kamera kann der Eisengehalt in Lebensmitteln gemessen und auf schädliche Partikel untersucht werden. Diese Technologie könnte z. B. bei der Qualitätskontrolle helfen, um sicherzustellen, dass Lebensmittel die erforderliche Menge an Eisen enthalten oder frei von Verunreinigungen sind.
- Medizin und Forschung: Die Magnetfeldkamera könnte ein wichtiges Hilfsmittel in der Tumordiagnostik sein. Forschende arbeiten daran, biologische Proben mit Eisen-Nanopartikeln zu versehen, um Tumorzellen sichtbar zu machen. Die Kamera könnte kleinste Veränderungen in Magnetfeldern aufzeichnen und so helfen, bösartige Gewebeansammlungen zu erkennen.
- Maschinenbau und Technik: Eisenpartikel in Motoren oder Maschinen sind oft ein Zeichen von Verschleiss. Mit der Magnetfeldkamera können eisenhaltige Partikel im Motorenöl aufgespürt werden, die auf Probleme hinweisen könnten. Auf diese Weise können Wartungsarbeiten frühzeitig eingeleitet und Schäden an der Anlage vermieden werden. Auch für die Inspektion von Gebäuden, Anlagen oder Kabeln ist diese Technologie relevant, da sie kleinste Risse oder verschlissene Stellen durch winzige Eisenpartikel erkennbar machen kann.
Wie wurde die Kamera getestet?
Das Forschungsteam führte eine Reihe von Tests mit der Magnetfeldkamera durch, um ihre Vorzüge und Funktionalität zu bestätigen. In einem dieser Tests konnte die Kamera dank ihrer hohen Empfindlichkeit die magnetischen Signaturen von Lebensmittelproben präzise erkennen. In einem anderen Experiment wurden Eisenpartikel mit einem Durchmesser von 200 Mikrometern auf einem Teller platziert. Die Magnetfeldkamera war in der Lage, die genaue Anzahl der Partikel zu bestimmen und ihre Position sichtbar zu machen.
Was macht die Magnetfeldkamera so besonders?
Die Kombination aus hoher Auflösung, schneller Messrate und hoher Empfindlichkeit verleiht dieser Magnetfeldkamera ein enormes Potenzial für viele Bereiche. Mit dieser bahnbrechenden Technologie können Eisenpartikel mit einer völlig neuen Präzision und Geschwindigkeit nachgewiesen werden, was sowohl die Qualitätskontrolle als auch die Sicherheitsbewertung in vielen Branchen verbessern könnte.
Diese Methode eröffnet vielversprechende Möglichkeiten, Eisen schnell und effizient zu detektieren, und könnte die Grundlage für viele moderne Messsysteme werden.