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Sensorsysteme für extrem raue Umgebungen

Fraunhofer IMS, Sensoren
Keramische Leiterplatte mit Hochtemperaturfähigen integrierten Schaltungen.
© Fraunhofer IZM

Im Leitprojekt ‚eHarsh‘ haben acht Fraunhofer-Institute eine Technologieplattform für den Bau von Sensorsystemen entwickelt, die extrem hohe Temperaturen und Drücke aushalten – etwa zur Überwachung des Inneren von Turbinen und tiefen Bohrlöchern für die Geothermie.

In extrem rauen Umgebungen können herkömmliche Sensoren binnen kurzer Zeit zerstört - dazu zählt etwa das Innere von Kraftwerks- oder Flugzeugturbinen oder von Bohrlöchern im Erdboden, in denen hohe Temperaturen und Drücke herrschen. Auch aggressive Gase und Flüssigkeiten oder Stäube setzen Sensoren zu. Im Projekt eHarsh haben sich deshalb acht Fraunhofer-Institute zusammengetan, um erstmals besonders robuste Sensoren für extrem raue Umgebungen (extreme harsh environments) zu entwickeln. »In den verschiedenen Instituten verfügen wir über viele Detailkenntnisse«, sagt eHarsh-Koordinator Holger Kappert vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS. »Wir kennen uns mit hitzebeständigen Keramiken aus, können Materialeigenschaften prüfen und robuste mikroelektronische Schaltungen anfertigen. Doch allein war keiner von uns in der Lage, einen solchen Sensor herzustellen. Erst durch das Zusammenspiel und die Kombination vieler einzelner Technologien ist uns das jetzt gelungen.«Das Team setzte den Schwerpunkt zunächst auf Anwendungen mit hohen Temperaturen und Drücken – besagte Turbinen und Bohrlöcher. Das Ziel war es, nicht nur robuste Druck- und Thermoelemente in die Turbinen und Bohrlöcher zu bringen, sondern auch die Elektronik zum Auswerten der Messwerte. »Der Vorteil einer Elektronik vor Ort und der Signalverarbeitung im Sensor liegt in einer höheren Qualität der Sensorsignale«, sagt Holger Kappert. »Außerdem könnte man Sensoren damit künftig besser vernetzen und aufwändige Verkabelung einsparen.«

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Fraunhofer IMS, eHarsh
Kopf des Sensors mit keramischem Sensorelement.
© Fraunhofer ILT

Das wäre vor allem in Flugzeugtriebwerken interessant, weil sich dadurch das Gewicht reduzieren ließe. Solche Triebwerke sind komplex. Luftströme, elektrische Spannungen und Leistungen müssen je nach Flugmanöver genau geregelt werden. Mithilfe kleiner robuster Sensoren direkt im Antrieb könnte die Messung des Triebwerkszustands und die Steuerung des Verbrennungsprozesses künftig noch präziser werden – etwa um Treibstoff effizienter zu nutzen.  

Das Sensorgehäuse besteht aus Metall, die Sensorelemente bestehen aus Keramik, die Temperaturen von bis zu 500 °C widersteht. Das elektronische Innenleben hält rund 300 °C aus. Eine Herausforderung bestand darin, die verschiedenen Komponenten so miteinander zu verbinden, dass sie sich auch bei wiederholtem Erhitzen und Abkühlen nicht voneinander lösen, wenn sich die Materialien unterschiedlich stark ausdehnen und zusammenziehen. Zum Einsatz kommen unter anderem Leiterplatten aus hitzebeständiger Keramik und Leiterbahnen mit einer Beimischung von Wolfram, das auch für die Wendeln von Glühbirnen verwendet wird.

Die Sensoren sind nicht nur hitzebeständig, sondern ertragen auch Drücke bis zu 200 Bar. Damit lassen sich derartige Sensoren künftig unter anderem in Pumpen für die Geothermie einsetzen. Bei der Geothermie werden Gebäude mit heißem Wasser aus dem Erdboden beheizt. Die Pumpen sitzen tief unten im Bohrloch und müssen sowohl die Hitze als auch die Drücke aushalten können. Dank der neuen Sensoren ist jetzt eine einfache, permanente Überwachung möglich.


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