Windkraftanlagen, Autos oder Fahrradhelme können so sicherer werden: Dünnschichtsensorik in hauchdünnen Folien zeigt kritische Belastungen an.
Ein starker Sturm zieht auf. Die Rotorblätter einer Windkraftanlage werden gleich besonders stark belastet. Mikroskopisch kleine Schädigungen können sich im faserverstärkten Kunststoff bilden, welche oft unerkannt bleiben. Steifigkeits- und Festigkeitsverlust sind die Folge und führen im Extremfall beim nächsten Sturm zum Abknicken oder Abbrechen der Rotorblätter.
Wissenschaftler des Zentrums für Mikrotechnologien der Technischen Universität Chemnitz und des Fraunhofer-Instituts für Elektronische Nanosysteme ENAS entwickelten nun innerhalb des Bundesexzellenzclusters MERGE eine mehrschichtige Sensorfolie, die mit fluoreszierenden Nanopartikeln beschichtet ist. Wird diese Folie beispielsweise in die Oberflächen der Rotorblätter eingebettet, dann könnten bei Routinewartungen von Windkraftanlagen Hinweise auf mögliche Schädigungen frühzeitig gegeben werden.
Der Grund: Die Folie ändert unter Belastung ihre Helligkeit und speichert diesen Zustand eine gewisse Zeit. Auch bei Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen oder Leichtbauteilen wäre diese Sicherheitsmaßnahme sinnvoll. Selbst bei Fahrrad- oder Motorradhelmen könnten Nutzer so über den Zustand ihres Kopfschutzes informiert werden.
Mini-Kristalle als Nanosensoren
Möglich wird dies durch winzige Halbleiter-Nanokristalle. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern und Ladungen können diese als exzellente Nanosensoren genutzt werden. „Auf der Basis von Quantenpunkten haben wir ein neues System zur Visualisierung von mechanischer Belastung entwickelt“, berichtet Dr. Jörg Martin vom Fraunhofer ENAS. Herzstück sei die Kombination piezoelektrischer Elemente mit einer sogenannten QD-Komposit-Schicht, womit die mechanische Belastung in eine lokal reduzierte Photolumineszenz der Partikel umgewandelt wird.
Letztendlich wird eine schlagartige Belastung – zum Beispiel an einem Rotorblatt – als gut erkennbarer optischer Kontrast sichtbar. „Für die Nanosensoren selbst ist keine Energieversorgung notwendig“, sagt Martin Möbius vom Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz. Dementsprechend wäre eine energieautarke Überwachung großer Flächen bzw. Bauteile mit nahezu jeder beliebigen Form möglich, und es ließen sich kritische Belastungen – insbesondere an Leichtbauteilen – im Rahmen üblicher Wartungen gut erkennen.
„Eine große Herausforderung dieser Entwicklung ist dabei die funktionsgerechte Integration der Sensorschichten in Leichtbaustrukturen, etwa durch Einlaminieren“, fügt Dr. Martin hinzu. Jedoch eröffne gerade das Einbringen zusätzlicher Funktionalität ein riesiges Anwendungspotenzial, weshalb gemeinsam mit weiteren Forschern der TU Chemnitz im Exzellenzcluster MERGE weitere Lösungsansätze untersucht und umgesetzt werden.
(Technische Universität Chemnitz, 27.03.2017 – NPO)
