Glasnerven der Zukunft: Neue HARFF-Glasfaser ist tausendmal empfindlicher als herkömmliche

In der Welt der Sensortechnologie hat eine echte Revolution stattgefunden, die den Ansatz zur Überwachung kritischer Infrastrukturen, der Luftfahrt und sogar medizinischer Systeme grundlegend verändern könnte. Forscher des Königlich Technischen Instituts in Schweden (KTH) sowie der Universitäten Southampton und Bristol im Vereinigten Königstell haben eine innovative Plattform namens HARFF (High Aspect-Ratio Flat Fiber) vorgestellt. Dies ist eine flache Glasfaser, die nicht nur Daten überträgt, sondern selbst zu einem hochempfindlichen Sensor wird, der Druck und Temperatur mit einer Genauigkeit „spüren“ kann, die die Möglichkeiten traditioneller Technologien um das Tausendfache übertrifft.

Von rund zu flach: Geometrie als Schlüssel zur Empfindlichkeit

Herkömmliche Glasfasern, die seit Jahrzehnten für die Übertragung von Internet und Telefonie verwendet werden, haben einen runden Querschnitt. Die Forscher haben jedoch herausgefunden, dass eine Änderung der Geometrie der Faser ihre physikalischen Eigenschaften radikal verstärken kann. Die neue HARFF-Faser hat einen gestreckten viereckigen, fast bandartigen Querschnitt. In Experimenten wurde ein Verhältnis von Breite zu Dicke von etwa 20:1 erreicht. Diese Form verändert die mechanische Reaktion des Quarzglases auf Querlasten drastisch. Infolgedessen war der entwickelte experimentelle Drucksensor bis zu drei Größenordnungen (also 1000-mal) empfindlicher als ähnliche Geräte auf Basis herkömmlicher runder Fasern.

Funktionsweise: Mikrohohlräume und „intelligente“ Legierungen

Die Magie von HARFF liegt nicht nur in der Form, sondern auch in der inneren Struktur. Um der Faser die Fähigkeit zu verleihen, Temperatur und Druck zu bestimmen, werden Mikrohohlräume geschaffen und Metalle sowie Legierungen hinzugefügt. Beispielsweise wird für die Erstellung eines hochempfindlichen Thermometers einer der Kanäle mit einer Zinnlegierung mit einem Schmelzpunkt von etwa 220 °C gefüllt. Beim Erhitzen dehnt sich das Metall aus, erzeugt mechanische Spannungen im Glas, die den Brechungsindex des Lichts verändern. Diese Änderung kann leicht mit Standard-Telekommunikationsgeräten erfasst werden. Für die Druckmessung werden mikrostrukturierte Fasern mit Luftkanälen verwendet, deren Auflösung im Bereich von Kilopascal liegt.

Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur

Einer der Hauptvorteile der HARFF-Technologie ist ihre Kompatibilität mit bereits bestehender Ausrüstung. Die flache Faser kann mit herkömmlicher runder Glasfaser verschmolzen und an Standard-Optikgeräte angeschlossen werden. Das bedeutet, dass für die Nutzung der neuen Eigenschaften keine teuren neuen Hardware-Käufe oder ein vollständiger Austausch der Kommunikationsnetze erforderlich sind. Die Technologie ist bereit für die Integration in aktuelle Überwachungssysteme, was ihre Kommerzialisierung und Anwendung in der Industrie erheblich beschleunigt.

Anwendung: Von Flugzeugen bis zu Batterien

Die Entwickler sehen ein breites Anwendungsspektrum für die „Glasnerven“ in den unterschiedlichsten Bereichen. Flache Fasern können direkt in Verbundwerkstoffe von Flugzeugen, Drohnen, Brücken und anderen Konstruktionen eingebettet werden und diese zu selbstüberwachenden Systemen machen. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, Sensoren in Batterien zu integrieren, um die Ausdehnung der Elektroden, die Gasbildung und gefährliche Temperaturanstiege zu erfassen, was für die Verhinderung von Bränden in Elektrofahrzeugen und Energiesystemen von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus findet die Technologie Anwendung in medizinischen Überwachungssystemen, wo hohe Präzision und Biokompatibilität erforderlich sind.