Raumtemperatur-Quantensensorik Preiswert den elektrischen Strom über das Magnetfeld messen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der elektrische Strom lässt sich indirekt über das Magnetfeld messen. Dazu notwendig sind Diamanten mit einer hohen Dichte an Stickstofffehlstellen. Vom günstigen Messverfahren soll beispielsweise die E-Mobilität profitieren.

Firmen zum Thema

Elektrischen Strom messen: Der Quantensensor von Ludwig Horsthemke hat etwa die Größe einer Streichholzschachtel. Das Herzstück ist ein kleiner Diamant mit Stickstofffehlstellen, der durch grünes Licht zum Fluoreszieren angeregt wird.
Elektrischen Strom messen: Der Quantensensor von Ludwig Horsthemke hat etwa die Größe einer Streichholzschachtel. Das Herzstück ist ein kleiner Diamant mit Stickstofffehlstellen, der durch grünes Licht zum Fluoreszieren angeregt wird.
(Bild: FH Münster/Jana Schiller)

Strom messen in einem Elektrofahrzeug: In einem Forschungsprojekt entwickeln Forscher sogenannte optische Quantenmagnetfeldsensoren. Mit ihnen lassen sich sich geringe elektrische Ströme schnell und präzise messen. Damit möglich wird es, Auskunft über den Lade- und Gesundheitszustand der Batterie zu geben.

Im Forschungsprojekt „Raumtemperatur-Quantensensorik für die Elektromobilität (RaQuEI) [1] mit Prof. Dr.-Ing. Peter Glösekötter [2] und Ludwig Hosthemke von der FH Münster in Kooperation mit der Universität Leipzig sowie den Industriepartnern Quantum Technologies UG & Turck duotec und Elmos Semiconductor SE schicken sich an, den Strom in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug künftig genauer zu messen. Dabei sollen die Nachteile herkömmlicher Verfahren, wie etwa die Verlustleistung bei Shunt-Widerständen vermieden werden.

Präzise Messergebnisse mit Quantentechnik

Im Mittelpunkt der Quantentechnik – einem Teilgebiet der Ingenieurwissenschaften, das auf speziellen Eigenschaften von Elementarteilchen beruht – 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.“

Elektrischer Strom indirekt über das Magnetfeld messen

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 sogenannten 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.

Ludwig Horsthemke entwickelte in seiner Abschlussarbeit im Masterstudiengang Elektrotechnik ein neues optisches Verfahren, um Magnetfelder zu vermessen.
Ludwig Horsthemke entwickelte in seiner Abschlussarbeit im Masterstudiengang Elektrotechnik ein neues optisches Verfahren, um Magnetfelder zu vermessen.
(Bild: FH Münster/Jana Schiller)

„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.“

Die Quantentechnik bei Raumtemperatur hat großes Potenzial für die mobile Sensorik. Insbesondere die Elektromobilität profitiert von unserem kostengünstigen, präzisen und kompakten Messverfahren.

Projektleiter Prof. Glösekötter

Forschungsarbeit geht weiter

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.

Referenzen

[1] Hintergrund zu RaQuEI (externer Link)

[2] Kontakt Prof. Dr.-Ing. Peter Glösekötter an der FH Münster (externer Link)

(ID:47533196)