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Quantensensoren: Viel Potenzial, aber noch zu wenig Wissen

Quantensensoren für die Medizintechnik
Quantensensoren: Viel Potenzial, aber noch zu wenig Wissen

Prof Jens Anders Uni Stuttgart ist Sprecher des Clusters Qsens
Prof. Jens Anders leitet das Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) an der Universität Stuttgart und vertritt den Cluster Qsens als Sprecher (Bild:Universtität Stuttgart)

Was Quantensensoren sind und warum sie im Gesundheitsbereich Vorteile bieten, beschreibt Prof. Jens Anders, Sprecher des Zukunftsclusters Qsens. Die Technologie bietet ein immenses Potenzial, aber das Quantenwissen ist noch nicht weit verbreitet. Schulungen können das ändern.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Herr Professor Anders, was macht Quantensensoren so besonders?

Genau wie klassische Sensoren ändern Quantensensoren ihren Energiezustand aufgrund ihrer Wechselwirkung mit der Messgröße. Allerdings sind in einem Quantensensor diese Energiezustände quantisiert; es treten also nur diskrete Energiewerte auf. Wir alle kennen das Prinzip diskreter Energiewerte aus dem Bohrschen Atommodell in der Schule. Die Energieänderung entspricht gemäß der Planckschen Formel E=h*f einer Frequenzänderung, die wir mit sehr hoher Präzision messen können. Im Grunde sind Quantensensoren also vor allem Sensoren, und man kann sie so bauen, dass sie all das messen können, was bisher schon mit konventionellen Sensoren erfasst wurde. Allerdings ist die Detektionsschwelle bei Quantensensoren sehr viel besser. Um ein Beispiel zu nennen: Mit einem Quantensensor, der auf die magnetische Feldstärke reagiert, lassen sich Felder nachweisen, die etwa eine Milliarde Mal kleiner sind als das Erdmagnetfeld. Das bedeutet: Wir können mit solchen Sensoren Magnetfeldänderungen erfassen, die von den Gehirnströmen ausgelöst werden. Und das ist beachtlich.

Was kann man mit diesen empfindlichen Sensoren praktisch anfangen?

In der Medizin beispielsweise eröffnen solche sehr genauen Messungen völlig neue Möglichkeiten. Aber auch die Produktionstechnik profitiert davon. Direkt vom Einsatz der Sensoren, aber auch indirekt, denn Quantensensoren können oftmals kalibrationsfrei betrieben werden. Das unterscheidet sie von allen klassischen Sensortypen. Dort gilt: Je genauer klassische Sensoren messen, desto häufiger müssen sie durch das Kalibrieren auf die vergleichbaren SI-Einheiten abgestimmt werden. Das ist mit einem erheblichen Aufwand und auch mit Kosten verbunden. Die SI-Einheiten werden aber heute basierend auf Naturkonstanten wie dem Planckschen Wirkungsquantum h definiert. Da beispielsweise eine nicht geringe Anzahl an Quantensensoren ihr Messergebnis direkt in Vielfachen von h angeben, ist eine Kalibrierung oftmals nicht notwendig.

 Können Quantensensoren dann quasi alle Sensoren ersetzen?

Das wäre technisch möglich, aber wirtschaftlich zurzeit nicht sinnvoll. Quantensensoren sind bisher nur in Einzelfällen und geringen Stückzahlen kommerziell verfügbar und entsprechend teuer. Das wird sich mit der weiteren Entwicklung der Fertigungstechnik, wie sie zum Beispiel in Qsens beforscht wird, und den wachsenden Stückzahlen aber mit Sicherheit ändern. Derzeit werden Quantensensoren in der Regel nur dort eingesetzt, wo man mit klassischen Sensoren nicht weiterkommt. In Zukunft sind auch hybride Systeme denkbar, in denen der Quantensensor einen klassischen Sensor, zum Beispiel zur Selbstkalibration, unterstützt.

Was wäre ein Beispiel für weitere Anwendungen?

Anwendungsfälle sind zwei Technologien aus der Biomedizintechnik, die Kernspinresonanz, kurz NMR, und die Elektronenspinresonanz, auch als ESR bezeichnet. NMR wird eingesetzt, um die Zusammensetzung und Struktur von Biomolekülen zu bestimmten. Das ist wichtig für die Entwicklung von Wirkstoffen und für die Qualitätssicherung bei deren Herstellung. ESR wiederum eignet sich sehr gut, um freie Radikale nachzuweisen. Die Geräte, die man heute dazu braucht, sind riesig und sehr teuer. Ein Highend-Gerät für NMR-Untersuchungen anzuschaffen, kostet in der Größenordnung von zehn bis fünfzehn Millionen Euro, Tischgeräte mit geringerer Empfindlichkeit kosten immer noch 50.000 bis 100.000 Euro. Mit Quantensensoren entwickeln wir in Qsens derzeit tragbare Geräte, die in ihrer Performance zwischen den Highend und den Tischgeräten liegen, somit für viele Anwendungen in biomedizinischen Qualitätssicherung und Diagnostik in Frage kommen und vielleicht in der Größenordnung von 5000 bis 15.000 Euro kosten können.

Quantensensor: Messen – so präzise wie noch nie

Welche medizinischen Zweck lassen sich damit verfolgen?

Biomoleküle eignen sich als Marker für bestimmte Erkrankungen, und das Auftreten von freien Radikalen kann ebenfalls auf gesundheitliche Probleme hinweisen. Mit NMR und ESR könnte ein Arzt solche Marker im Blut von Patienten nachweisen oder auch in Gewebeproben. Derzeit sind die Geräte für den Einsatz bei niedergelassenen Ärzten natürlich noch viel zu teuer. Aber in fünf bis zehn Jahren geht man vielleicht zum „Radikalencheck“ in die Praxis, um einen schnellen Überblick über den persönlichen Gesundheitszustand zu bekommen. Das ist übrigens gar nicht so weit weg: Das Freiburger Unternehmen Noxygen hat bereits für bestimmte Krebsmarker einen so genannten Cellular Metabolic Index Test, kurz CMI-Test, vorgestellt. Damit lässt sich die Genesung der Patienten nach der Strahlentherapie verfolgen. Aber die hier verwendeten Geräte sind für eine einzelne Praxis noch zu kostspielig.

 Wie weit verbreitet ist heute das Fachwissen, das rund um solche Sensoren gebraucht wird?

Um Quantensensoren industriell einsetzbar und kommerziell verfügbar zu machen, ist Fachwissen aus zwei Bereichen erforderlich: aus der Physik und aus den Ingenieurwissenschaften. Allerdings gibt es bisher noch zu wenig Überschneidungen zwischen beiden. Der Physiker ist in der Regel nicht mit den Anforderungen und technischen Möglichkeiten vertraut, die dazu beitragen, den Sensor zu miniaturisieren oder in großen Stückzahlen herzustellen. Einem Ingenieur wird das Thema Quantenmechanik hingegen während seines Studiums wahrscheinlich gar nicht oder nur als Wahlfach begegnen. Daher ist das Wissen um Quantentechnologie in der Industrie auch nicht verbreitet. Es gibt inzwischen ersten Studiengänge, die in ein paar Jahren Quanteningenieure hervorbringen werden. Aber es wird auf jeden Fall viele Schulungsmaßnahmen bei den Ingenieuren in den Unternehmen brauchen, bis das Wissen um das Potenzial der Quantensensoren verfügbar ist und auch genutzt wird. Solche werden wir im Cluster Qsens in den kommenden Monaten auch anbieten.

Mehr zu Qsens und Clusters4Future

Der Startschuss für den Wettbewerb „Clusters4Future“ – die mit Fördermitteln des BMBF unterstützt werden – fiel im Sommer 2019. Die Bewerber durchliefen mehrere Stufen, darunter eine geförderte Konzeptionsphase und die Bewertung durch eine Expertenjury. Am Ende blieben aus rund 150 Bewerbern sieben Cluster, die heute Deutschlands Innovationsnetzwerke der Zukunft sind. Die ersten starteten im Herbst 2021 mit der Umsetzung ihrer Konzepte.

Die Themen sind vielfältig: Neuromorphe Hardware für autonome Systeme ist ebenso vertreten wie personalisierte Zell- und Gentherapieverfahren. Weitere Konzepte befassen sich mit nachhaltiger Meeresforschung, neuen Ansätzen zur Medikamentenentwicklung und Wasserstoff und eben der Quantentechnologie. Die Arbeiten im Cluster Qsens konzentrieren sich neben der Gesundheit auf die Bereiche Mobilität, Informationstechnologie im Sinne des „Internet of things“ sowie Nachhaltigkeit.

Mehr zu den Zukunftsclustern und ihren Themen hat das BMBF im Internet zusammengestellt.
www.clusters4future.de/die-zukunftscluster

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