“Bei der Messung kleinster zeitveränderlicher Ströme beispielsweise in einem ultraschnellen Chromatogramm enthält ein einzelner Peak im Extremfall nur noch einige tausend Elektronen. Solche winzigen Signale korrekt zu erfassen erfordert extrem leistungsfähige Spezialelektronik.“
Mit einem Strommessgerät zur schnellen Analyse auch kleinster elektrischer Ströme will FUSE eine zentrale Lücke im Markt schließen – und erhält dafür einen EXIST-Forschungstransfer von mehr als 720.000 Euro. Die Förderung läuft über eineinhalb Jahre und soll den vier Wissenschaftlern dabei helfen, aus ihrer erfolgreichen Entwicklung ein marktreifes Produkt zu machen.
Von Sicherheitskontrollen am Flughafen über Schadstoffuntersuchungen bei Gewässern bis hin zum PCR-Test: Überall ist das Messen kleinster Ströme ein zentraler Bestandteil der chemischen oder physikalischen Analyse. Der Markt ist voll mit Strommessgeräten, doch diese sind im wichtigen Bereich zeitveränderlicher kleinster Ströme leider meistens fehlerbehaftet.
Das vierköpfige Team von FUSE am Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik der Leibniz Universität Hannover verspricht mit seiner Entwicklung einen echten Durchbruch beim Messen kleinster Ströme: Die Ingenieure Dr.-Ing. Ansgar Kirk, Alexander Bohnhorst, Cornelius Wendt und Konstantin Krüger – Elektrotechniker, Nanotechnologe, Mechatroniker und Wirtschaftsingenieur – haben sieben Jahre lang gemeinsam an Elektronik für Messgeräte geforscht. Sie wollen jetzt nach erfolgreicher Umsetzung ihres Demonstrators ein neues Strommessgerät marktreif machen und auch selbst bauen. „Das grundlegende Prinzip von Strommessungen bleibt eigentlich immer gleich. Aber unser Gerät misst nicht nur kleinste Ströme praktisch fehlerfrei, sondern auch schnell – und kann trotzdem auch große Ströme messen! Die Kombination dieser Leistungsfaktoren war die große Herausforderung, die am Markt bisher fehlte“, erläutert Teamleiter Dr.-Ing. Ansgar Kirk die Entwicklung, für die bereits ein Patent angemeldet wurde. Den Startimpuls für diese Forschungsleistung gab übrigens ein mit dem aktuellen Marktangebot unzufriedener Hersteller analytischer Geräte.
Das Team hat die Leistungsfähigkeit ihrer Entwicklung mit dem Demonstrator bereits unter Beweis gestellt. Jetzt gilt es, die innovative Erfindung auch serienreif zu machen. Vom Platinen-Design, über die mechanischen Komponenten bis hin zur Software – die vier hannoverschen Forscher entwickeln alles in Eigenregie und erhalten dafür ab Mai 2021 einen EXIST-Forschungstransfer von mehr als 720.000 Euro aus dem Förderprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), das durch den europäischen Sozialfonds (ESF) kofinanziert wird. Damit werden die vier Ingenieursstellen für eineinhalb Jahre sowie die benötigten Sachmittel finanziert. „Ohne die EXIST-Förderung könnten wir die nächsten notwendigen Schritte niemals stemmen. Nur dank der Förderung haben wir jetzt die Chance, unsere Idee wirklich erfolgreich zu einem Produkt zu machen“, erklärt Dr.-Ing. Ansgar Kirk. Das Team nutzt für die praktische Arbeit in den nächsten Monaten weiter die Labore und Büros am Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik der Leibniz Universität Hannover.
Was macht das Besondere an ihrer Neuentwicklung aus? Dafür müssen wir uns erst einmal dem Forschungsbereich kleinster Ströme nähern, deren Analyse so viele Anwendungsbereiche bietet: Eine Steckdose beispielsweise liefert eine Stromstärke von bis zu 16 Ampere. Die Ströme, mit denen die hannoverschen Wissenschaftler arbeiten, bewegen sich in der Größenordnung Femtoampere, die etwa einem Billiardstel der Steckdosenstromstärke entspricht – oder wie es die Forscher formulieren: Wenn ein Dinosaurier in seiner Zeit vor 100 Millionen Jahren begonnen hätte, mit diesen Strömen ein Handy zu laden, so wäre er bis heute nicht fertig damit – der Ladebalken zeigte immer noch unter ein Prozent!
Aber beispielsweise für chemische Analysen sind die resultierenden elektrischen Ströme etwa auf der Suche nach Verunreinigung im Trinkwasser oder im Boden entsprechend klein. Und dazu kommt: Je weniger dieser Schadstoffe vorhanden sind, umso weniger Strom fließt. Geringere Grenzwerte erfordern daher auch bessere Analysemöglichkeiten und insbesondere bessere Strommessgeräte. Das neue Strommessgerät von FUSE kann praktisch fehlerfrei auch diese kleinsten Ströme messen und bisherige Abweichungen in Messprozessen ausschließen. Besonders rauscharme Strommessgeräte arbeiten häufig kapazitiv, das heißt, man sammelt die Ladung zur Messung. Das allerdings klappt nicht unbegrenzt – das Gerät muss permanent über interne Schalter zurückgesetzt werden. Doch diese Schalter sorgen in bisherigen Messgeräten bei jedem Schalten für Fehler in den Ergebnissen.
Das Team von FUSE (FUSE steht übrigens für: Femtoampere (fA) bis Mikroampere (µA)) hat eine Schaltung erfunden, die das vermeidet – und durch den cleveren Aufbau zudem auch potenzielle Folgefehler direkt wieder korrigiert. So lassen sich mit diesem Strommessgerät in der chemischen Analyse flexibel sowohl kleinste Schadstoffkonzentrationen wie auch eine bis zu über den Faktor eine Milliarde größere Konzentration schnell und präzise messen. Das potenzielle Marktvolumen ist entsprechend riesig: Der gesamte Bereich der Umweltanalytik genauso wie Qualitätskontrollen bei Arzneimitteln oder beim Erdöl. Das FUSE-Gerät könnte großen Prüflaboren die Arbeit erleichtern und die Ergebnisse optimieren.
Für Insider: Das neue Strommessgerät ermöglicht innerhalb von Sekunden sogar Messungen im sub-Femtoamperebereich! Gleichzeitig können aufgrund der hohen Dynamik ohne jede Umschaltung Ströme bis hin zu einem Mikroampere gemessen werden. Diese einzigartige Kombination aus Geschwindigkeit, Sensitivität und Dynamik ist das entscheidende Alleinstellungsmerkmal des Strommessgeräts und ist aktuell weder kommerziell erhältlich noch im wissenschaftlichen Bereich bekannt!
FUSE ist auch eine weitere Erfolgsgeschichte der Startups aus der Leibniz Universität Hannover, welche sich mit unserer Unterstützung um ein EXIST-Stipendium beworben haben: „FUSE zeigt, wie zentral unsere Begleitung bei einer erfolgreichen Bewerbung um eine Förderung vom Bundeswirtschaftsministerium ist“, freut sich unser Projektleiter Tobias Quebe über die Förderzusage. „So eine Hightech-Forschung braucht viel Zeit – und unbedingt diese Unterstützung, um den Weg in den Markt zu schaffen, mittlerweile wurden so mehr als sieben Millionen Bundesfördergelder nach Hannover geholt!„
„Das FUSE-Strommessgerät ist ein großartiges Beispiel dafür, wie junge Wissenschaftler*innen sich in ihrer Promotion – ein Post-Doc, zwei Doktoranden und ein Student, der gerade seine Masterarbeit eingereicht hat – mit einem Problem auseinandersetzen und die Erkenntnisse in die Praxis überführen. Die Entwicklung hat wirklich Alleinstellungsmerkmale am Markt und zahllose Anwendungsbereiche. Mit FUSE wurden bereits 27 EXIST-Förderungen bewilligt“, ergänzt unser Gründungsberater Tobias Meyer.
Bis Oktober 2022 arbeiten Dr.-Ing. Ansgar Kirk, Alexander Bohnhorst, Cornelius Wendt und Konstantin Krüger jetzt an der Serienreife von FUSE, um dann den Markt der Strommessgeräte neu aufzurollen!
Kontakt FUSE:
Dr.-Ing. Ansgar Kirk
E-Mail: kirk@geml.uni-hannover.de
Tel.: 0511 762-4864
Quellen:
Hier gehts zur Pressemitteilung der Wirtschaftsförderung hannoverimpuls und zum Artikel auf der Webseite der Leibniz Universität Hannover.
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