Materialforschung 12. Nov 2021 von Martin Ciupek

Rotator justiert Proben in Messgeräten unter extremen Bedingungen

Materialproben in Messumgebungen unter Strahlung oder in Magnetfeldern räumlich exakt auszurichten, ist schwierig. Ein am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelter filigraner Zwei-Achs-Rotator könnte das künftig vereinfachen.


Foto: HZDRI/ Peter Fritzsche

Bevor Forschende Erkenntnisse über die Materialeigenschaften unter Extrembedingungen erlangen können, müssen sie zunächst oft Herausforderungen der Messapplikationen meistern. Denn in vielen modernen Messaufbauten lassen sich die zu untersuchenden Proben nicht direkt ausrichten. Das gilt insbesondere dann, wenn sie in einem komplexen Messkopf verbaut sind. Eine Fernsteuerung zum Justieren der Proben könnte diese Arbeit erleichtern. In einem etwa fingerhutgroßen Raum für die Aufnahme der Probe müssen dabei alle möglichen Orientierungen umsetzbar sein. „Das ist eine typische Situation, die wir immer wieder antreffen, wenn wir physikalische Größen unter extremen Bedingungen messen wollen, etwa in sehr starken Magnetfeldern oder nahe des absoluten Nullpunkts der Temperatur“, erklärt Hannes Kühne. Der Physiker arbeitet im Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) am HZDR.

Bisher improvisierte Laborlösungen

Zusammen mit dem Entwicklungskonstrukteur Stefan Findeisen hat er dazu eine Lösung entwickelt. Mit ihr lassen sich laut den Forschern Materialproben in solch experimentellen Situationen über zwei Rotationsachsen mit hoher Präzision ausrichten. Kommerzielle Geräte erlaubten Rotationen oftmals nur um eine Achse, mechanisch oder piezoelektrisch angetrieben. Bei selbstkonstruierten Varianten zur Rotation um zwei Achsen sei beispielsweise der komplette Messaufbau drehbar gelagert. „In manchen Laboren existieren eher improvisierte Zwei-Achs-Lösungen, die jedoch wegen fehlendem technischem Know-how meist ihre Tücken haben“, berichtet Findeisen. Das HDZR habe dagegen alle Möglichkeiten geboten, um Ideen aus der Forschung praktisch umzusetzen. Er verdeutlicht: „Das betrifft ganz konkret das hohe Maß an Ingenieurskompetenz, über die unsere Zentralabteilung Forschungstechnik verfügt.“

Als Besonderheit der neuen Entwicklung hebt das ZDR hervor, dass die zwei im rechten Winkel zueinanderstehenden Rotationsachsen gleichzeitig angesteuert werden können und sich unabhängig voneinander bewegen lassen. Dadurch sei eine präzise Ausrichtung der jeweiligen Proben auf kleinstem Raum möglich, beispielsweise in Bezug zu einem äußeren elektromagnetischen Feld. „Die verwendeten Materialien sind unmagnetisch. Dadurch vermeiden wir die Entstehung störender magnetischer Streufelder während unserer Messungen“, berichtet Findeisen. Alle relevanten Bauteile seien dazu aus dem Kunststoff Polyetheretherketon gefertigt, der kaum verschleiße und tiefste Temperaturen unbeschadet überstehe. Der Rotator namens Rotax könne dabei auch problemlos aus metallischem Material wie etwa Messing gefertigt werden, wenn eine gute thermische Ankopplung der Probe bei tiefen Temperaturen eine entscheidende Rolle spiele.

Vom Prototyp zur Kommerzialisierung

Inzwischen gibt es am HLD bereits Prototypen in verschiedenen Größen, die für Tieftemperaturmessungen genutzt werden. Dazu erklärt Kühne: „Wir haben einen der neuen Zwei-Achs-Rotatoren mit wechselbarem Probenträger in ein kommerzielles kryogenes Messsystem integriert.“ Er verdeutlicht: „Kernspinresonanz, elektrischer Widerstand, Wärmeleitfähigkeit oder die Magnetisierbarkeit von Materialien in hohen magnetischen Feldern – all diese Eigenschaften können wir nun deutlich einfacher messen. Das schlägt sich zum Beispiel in einer genaueren Probenpositionierung und in verkürzten Messzeiten nieder.“

Die möglichen Einsatzbereiche des Rotax sind laut den Wissenschaftlern vielfältig: Sie reichen in der Grundlagen- und der anwendungsorientierten Forschung demnach von der Bestimmung physikalischer Eigenschaften neuartiger Materialien über spektroskopische Anwendungen in der Chemie bis hin zu Verfahren der Bildgebung. Durch die Automatisierbarkeit der Messungen könne zudem im Vergleich zur manuellen Lösung ein vielfach höherer Durchsatz erreicht werden. In weiteren Entwicklungsstufen von Rotax und deren Integration in bestehende Aufbauten werden sich laut den Forschern Proben auch mit Röntgen- oder Neutronenstrahlen schnell und genau aus allen Perspektiven kontrolliert „belichten“ lassen.

Inzwischen ist die Erfindung patentiert und die HZDR Innovation GmbH ermöglicht den beiden Wissenschaftlern die Kommerzialisierung des Produktes. Ein Industriepartner aus Thüringen habe bereits konkretes Interesse an einer Nutzung von „Rotax“ zum Einbau in komplexe Kernspinresonanz-Messapparaturen bekundet. Die Fertigung der Bauteile erfolgt durch spezialisierte Betriebe aus dem Dresdner Umfeld.

Mit Material von HZDR

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