Natuurkundigen van de Universiteit van Saarland hebben magnetische veldsensoren ontwikkeld die gevoeligheidsrecords breken en een hele reeks potentiële nieuwe toepassingen openen, van contactloze metingen van de elektrische activiteit in het menselijk hart of brein tot het opsporen van ertsafzettingen of archeologische resten diep onder de grond. Professor Uwe Hartmann en zijn onderzoeksteam hebben een systeem ontwikkeld waarmee ze in normale omgevingen (geen vacuüm, geen lage temperaturen, geen afscherming), ondanks de aanwezigheid van talrijke storingsbronnen. Hun systeem kan signaalsterktes detecteren die ver onder een miljardste van een tesla liggen - ongeveer een miljoen keer kleiner dan het aardmagnetisch veld - en kan worden gebruikt om biomagnetische signalen in het menselijk lichaam of geofysische verschijnselen te detecteren.

Het onderzoeksteam exposeert vanaf 1 april op de Hannover Messe (hal 2, Stand B46) en zijn op zoek naar partners waarmee ze hun technologie kunnen ontwikkelen voor praktische toepassingen.

Als artsen het hart van een patiënt willen onderzoeken om te zien of het onregelmatig klopt, ze moeten eerst elektroden op de borst van de patiënt bevestigen, polsen en enkels. Hetzelfde geldt voor het meten van de elektrische activiteit van de hersenen. De patiënt moet eerst worden bedraad voordat de elektrische activiteit van hun hersenen kan worden geregistreerd. Maar als het snel moet, dit kan betekenen dat medisch personeel kostbare tijd verliest. Het zou een stuk eenvoudiger zijn als er een apparaat beschikbaar zou zijn dat lijkt op een metaaldetector dat over het lichaam of het hoofd van de patiënt kan worden geveegd, maar toch betrouwbare resultaten zou opleveren. Tot nu toe, contactloze medische diagnostische procedures hebben gefaald omdat ze gewoon niet geschikt zijn voor dagelijks gebruik. Sensoren die gevoelig genoeg zijn om de door het menselijk lichaam geproduceerde biomagnetische velden te meten, moeten in zeer zorgvuldig gereguleerde omgevingen werken. Ze moeten goed afgeschermd zijn van externe storingsbronnen, moeten worden gebruikt bij onpraktisch lage temperaturen van minder dan -200 °C of een vacuüm vereisen.

Nutsvoorzieningen, echter, Professor Uwe Hartmann en zijn team van experimentele natuurkundigen aan de Universiteit van Saarland zijn erin geslaagd magnetische veldsensoren te ontwikkelen die onder normale omgevingsomstandigheden kunnen werken en toch signalen van zeer laag niveau kunnen detecteren. zoals de zwakke biomagnetische velden die door veel van de lichaamsfuncties worden geproduceerd. 'Je zou kunnen zeggen dat de precisie van onze techniek is als het kunnen lokaliseren van een zandkorrel in een bergketen. We kunnen over relatief grote afstanden magnetische velden detecteren die ongeveer een miljoen keer zwakker zijn dan het aardmagnetisch veld - slechts een paar picotesla, dat is een miljoenste van een miljoenste van een tesla, ', legt Uwe Hartmann uit. Tot dusver, sensoren die onder normale omgevingsomstandigheden werken, hebben magnetische velden kunnen detecteren die ongeveer duizend keer kleiner zijn dan het magnetische veld van de aarde.

De echte uitdaging, echter, was niet de nauwelijks waarneembare omvang van de signalen zelf. 'Het grootste probleem bij het meten van deze minuscule signalen in een normale omgeving is de mogelijkheid om de signalen netjes te scheiden van de veelheid aan interferentiesignalen die onvermijdelijk aanwezig zijn, ', zegt Hartmann. Er zijn allerlei factoren die ruis veroorzaken of die het zwakke signaal waar de natuurkundigen in geïnteresseerd zijn, vervalsen. Bronnen van interferentie zijn onder meer het aardmagnetisch veld, elektrische toestellen, bewegend verkeer, signalen van andere organen in het lichaam of zelfs van zonnestormen. De onderzoeksgroep van Hartmann werkt al jaren aan magnetometers (magneetveldsensoren) en heeft deze apparaten met succes ontwikkeld voor een hele reeks toepassingen. 'De afgelopen jaren we zijn erin geslaagd om de gevoeligheid en selectiviteit van onze magnetometers te vergroten. De gevoeligheid die onze sensoren nu demonstreren, is niet alleen het resultaat van ons continue sensorontwikkelingswerk, maar vooral de verbeteringen in onze gegevensverwerkingssoftware, ' hij legt uit.

Hartmann en zijn team zijn betrokken geweest bij verschillende projecten waarbij hun focus lag op het uitfilteren van stoorsignalen uit meetgegevens. De onderzoekers in Saarbrücken hebben, bijvoorbeeld, ontwikkelde een slimme sensorkabel waarbij de magnetometers in een netwerk met elkaar verbonden zijn. Een aantal van deze systemen wordt momenteel uitgeprobeerd als componenten in verkeersmanagementsystemen op luchthavens. In een andere toepassing de sensoren worden gebruikt voor het op afstand bewaken van omheiningen. In dit geval, het systeem moet in staat zijn om alle verschillende factoren te onderscheiden en te identificeren die meetbare veranderingen in het magnetische veld veroorzaken. Het onderzoeksteam voerde daarom een ​​groot aantal tests uit waarin ze veranderingen in het magnetische veld simuleerden, zoals die optreden wanneer de afrastering trilt of wordt geraakt, en de resulterende signaalpatronen toegewezen aan de overeenkomstige bronnen. De natuurkundigen hebben de signaalpatronen wiskundig gemodelleerd, vertaalde de resultaten in algoritmen en gebruikte deze om de analyser te programmeren - een proces dat voortdurend wordt verfijnd naarmate er steeds gedetailleerdere gegevens beschikbaar komen. 'We gebruiken deze informatie om het systeem te leren en om de mogelijkheden ervan continu uit te breiden. Het kan typische signaalpatronen herkennen en deze automatisch toewijzen aan verschillende storingsbronnen. We zijn nu in een positie waarin we meetgegevens en signaalpatronen zeer nauwkeurig kunnen toewijzen aan hun respectievelijke oorzaken, ', legt Hartmann uit.

Hoewel het werk van professor Hartmann en zijn team in wezen fundamenteel onderzoek is, er is een breed scala aan potentiële toepassingen voor deze zeer gevoelige magnetometers. Zij konden, bijvoorbeeld, worden gebruikt voor diagnostische doeleinden in de cardiologie of neurologie, waar ze bestaande technieken zoals ECG (elektrocardiografie) of EEG (elektro-encefalografie) zouden kunnen aanvullen. Een ander potentieel toepassingsgebied is geofysische waarneming bij het zoeken naar ruwe olie, minerale afzettingen of archeologische resten.

Het onderzoeksteam zal hun werk presenteren op de Hannover Messe, waar ze op zoek gaan naar commerciële partners, met name bedrijven in de medische technologiesector, waarmee ze hun technologie kunnen ontwikkelen voor praktische toepassingen.

Het team demonstreert de gevoeligheid van hun sensoren in hal 2 (stand B46) door verrassende voorbeelden van magnetische objecten in de directe omgeving te detecteren.