GPS ist seit zwanzig Jahren im Einsatz, zeigt aber bereits Ermüdungserscheinungen. Ein hohes Gebäude, ein Tunnel, ein paar Kilometer unter Wasser – und schon verschwindet das Signal. Ganz zu schweigen davon, wenn jemand es absichtlich stört. Forscher der Fraunhofer-Institut haben eine elegante Alternative gefunden: Sie verwandeln Fehler in synthetischen Diamanten in ultrapräzise Quantensensoren. Ihr Magnetometer erfasst Schwankungen im Erdmagnetfeld wie eine unsichtbare Karte. Und es funktioniert tatsächlich: überall, sogar 1300 Meter unter der Erde.
Ein unvollkommener Diamant, der alles misst
Die Technologie basiert auf sogenannten Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren). Im Wesentlichen entsteht durch den Austausch eines Kohlenstoffatoms im Kristallgitter des Diamanten durch ein Stickstoffatom ein Defekt mit außergewöhnlichen Quanteneigenschaften. Michael Stoebe, Leiter der Einheit „Quantum Devices“ bei Fraunhofer, erklärt:
„Diese NV-Zentren fungieren als die kleinsten existierenden Abtastmagnete und sind in der Lage, die Vektorkomponenten des Erdmagnetfelds präzise zu messen.“
Den Forschern gelang es, die Größe des Magnetometers innerhalb eines Jahres um den Faktor 30 zu reduzieren. Der Sensor ist heute vergleichbar groß wie herkömmliche optische Magnetometer, weist aber weiterhin eine Empfindlichkeit im Picotesla-Bereich auf. Ziel für das nächste Jahr ist eine weitere Verkleinerung um den Faktor 5, um eine Empfindlichkeit unterhalb des Picotesla-Bereichs zu erreichen. Dann ist das „alte“ GPS dem Untergang geweiht.
So funktioniert die magnetische Navigation mit dem Diamant-Magnetometer
Das Magnetfeld der Erde ist bekanntlich nicht einheitlich. Es weist ausgeprägte regionale Unterschiede auf, die sich mit äußerster Präzision kartieren lassen. Diese magnetischen „Fingerabdrücke“ dienen als Orientierungspunkte für die Navigation. Wie in Unterwassertests bewiesen Das Quantenmagnetometer wird im Südchinesischen Meer in einer Tiefe von 1300 Metern eingesetzt und erreicht im Vergleich zu herkömmlichen Systemen eine Navigationsgenauigkeit von bis zu 5 Grad.
Die Technologie bietet entscheidende Vorteile gegenüber GPS: Sie funktioniert unter der Erde, unter Wasser, in Gebäuden und in allen Umgebungen, in denen Satellitensignale nicht ankommen. Sie kann weder gestört noch gehackt werden, da sie völlig passiv ist. Michael Kunzer, Projektleiter bei Fraunhofer, betont den anwendungsorientierten Ansatz:
„Wir reagieren auf die individuellen Anforderungen unserer Systeme, indem wir Sensoren mit optionaler Wasserkühlung für stabile Messungen auch unter schwierigen Betriebsbedingungen entwickeln.“
Vom Labor in die reale Welt
Der Weg von der Forschung zur praktischen Anwendung beschleunigt sich rasant. Synthetische Diamanten werden in speziellen Reaktoren des Instituts gezüchtet, in denen Kohlenstoffatome gezielt durch Stickstoffatome ersetzt werden. Derzeit werden hochreine Diamant-„Wafer“ hergestellt; mit geplanten Verbesserungen könnte die Produktion im industriellen Maßstab nächstes Jahr beginnen.
Das militärische Interesse ist offensichtlich: Frequency Electronics hat einen Auftrag erhalten von Leidos, um NV-Magnetometer für die Navigation in Umgebungen ohne GPS zu entwickeln. Aber auch zivile Anwendungen, die ich persönlich bevorzuge, sind vielversprechend.
Geologische Erkundung ohne Bohrung
Das Quantenmagnetometer eröffnet neue Möglichkeiten für die geologische Erkundung. Es ermöglicht die präzise und berührungslose Ortung unterirdischer Mineralvorkommen, Zugang zu wertvollen Ressourcen. Es kann auch nicht explodierte Kampfmittel aufspüren über große Flächen, wodurch die Risiken für die Menschen in den betroffenen Gebieten erheblich reduziert werden.
Die gesammelten Daten werden in magnetische Karten umgewandelt, die den Standort verdächtiger Objekte zeigen und Informationen zu Tiefe, Form und Größe liefern. Diese Methode ermöglicht eine vollständige und nicht-invasive Erkundung der untersuchten Gebiete und ermöglicht die Ortung selbst tief vergrabener Objekte.
Diamantmagnetometer, die Zukunft, die uns nach Hause bringen wird
Wie wir Ihnen in diesem Artikel erklärt habenQuantentechnologien finden zunehmend konkrete Anwendung. Das Diamantmagnetometer stellt einen wichtigen Schritt in Richtung Satellitenunabhängigkeit dar und ermöglicht eine zuverlässige Navigation unter allen Umgebungsbedingungen.
Wenn Sie das nächste Mal Ihr GPS-Signal verlieren, denken Sie an unvollkommene Diamanten: Sie könnten Sie bald nach Hause führen.
