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Auszeichnung für Strömungssensoren

01.02.2013
Einen technologischen Strömungssensor nach dem Vorbild des Seitenlinienorgans der Fische haben Wissenschaftler der Universität Bonn und des Forschungszentrums caesar gemeinsam entwickelt.
Damit lassen sich etwa Lecks in Trinkwasserrohren aufspüren oder der Atemstrom von Intensivpatienten überwachen. Das Bundesforschungsministerium (BMBF) hat das Vorhaben nun als bestes Projekt im Bereich Sensorbionik ausgezeichnet.

Fische sind auch bei Dunkelheit sehr gut über ihre unmittelbare Umgebung informiert: Mit ihrem Seitenlinienorgan, das aus bis zu 4000 winzigen Einzelsensoren besteht, nehmen sie hochempfindlich lokale Wasserbewegungen und Druckgradienten war, wie sie zum Beispiel von vorbeischwimmenden Artgenossen oder Feinden erzeugt werden. Auch bei der räumlichen Orientierung ist die Seitenlinie hilfreich. „Beim flussaufwärts Schwimmen suchen Fische mit Hilfe ihrer Seitenliniensensoren wie ein Kajakfahrer nach der Route mit der geringsten Strömung“, berichtet Prof. Dr. Horst Bleckmann. Mit einer Förderung des Bundesforschungsministeriums untersucht der Zoologe der Universität Bonn seit vier Jahren, welches Anwendungspotential sich aus der Seitenlinienerforschung ergibt.

Fahndung nach Lecks in Wasser- und Gasleitungen

Nach diesem Vorbild der Natur haben die Forscher der Universität Bonn zusammen mit der Firma Hydrometer in Ansbach einen technischen Sensor entwickelt, der zum Beispiel Lecks in Wasserrohren oder Gasleitungen aufspüren kann, da nach jedem Leck das Strömungsvolumen abnimmt. „Bis zu 40 Prozent des Trinkwassers geht in den Städten durch Undichtigkeiten im Leitungssystem verloren“, stellt Prof. Bleckmann die Dimension des Problems dar. Zusammen mit dem Forschungszentrum caesar in Bonn gelang es den Wissenschaftlern, diesen Sensor-Prototypen mit Hilfe der Mikrosystemtechnologie weiter zu miniaturisieren. „Kleine Sensoren sind billiger und universeller einsetzbar“, sagt Dr. Siegfried Steltenkamp, Wissenschaftlicher Leiter der Mikrosystemtechnologie am Forschungszentrum caesar. Die „Mikrobionik“ überträgt Vorbilder aus der Natur auf technische Lösungen und verkleinert sie.

Sehr sensibles Sinnesorgan

Die Strömungssensoren der Fische bestehen aus Haarsinneszellen, die ganz ähnlich auch im Innenohr des Menschen vorkommen. Ihre Zilien ragen in eine gallertige Kuppel hinein. Strömt Wasser an einem Sinnesorgan vorbei, verschiebt sich die Kuppel, wodurch die Zilien der winzigen Haarsinneszellen ausgelenkt und Nervenimpulse an das Gehirn des Tieres weitergeleitet werden. „Das Sinnesorgan ist extrem empfindlich“, sagt Prof. Bleckmann. Die kleinste noch wahrgenommene Amplitude liegt bei nur 0,01 Tausendstel Millimeter Wasserbewegungsamplitude. Der technologische Sensor ist nicht einmal so groß wie ein Fingernagel und verfügt wie das natürliche Vorbild als Herzstück über ein bewegliches „Härchen“.

Das Herzstück des Sensors ist noch viel dünner als ein Haar

„Es ist mit rund 30 Tausendstel Millimeter noch dünner als ein menschliches Haar“, sagt Manfred Lacher, Technologischer Leiter der Projektgruppe Mikrosystemtechnologie am Forschungszentrum caesar. Die Forscher ätzten in einen Silizium-Chip ein winziges Loch, um das Härchen abzuformen. Durch das winzige, optisch transparente Härchen wird Licht geleitet. Fotodioden messen die Intensität des Lichts. Wird das Härchen durch die Strömung ausgelenkt, ändert sich dadurch die Lichtintensität. Für die Geschwindigkeitsmessungen braucht man mehrere solcher Sensoren: Aus der zeitlichen Differenz der Messsignale und dem Abstand der Sensoren kann die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden.

„Erst durch die tolle Kooperation zwischen der Universität Bonn und dem Forschungszentrum caesar wurde die Entwicklung des mikrobionischen Prototypen möglich“, freut sich Prof. Bleckmann. Die Teamleistung wurde nun auch vom Bundesforschungsministerium, das das Vorhaben fördert, als bestes Projekt im Bereich Sensorbionik ausgezeichnet.

Kontakt:

Prof. Dr. Horst Bleckmann
Institut für Zoologie
Universität Bonn
Tel. 0228/735453
E-Mail: bleckmann@uni-bonn.de

Dr. Siegfried Steltenkamp
Wissenschaftlicher Leiter Mikrosystemtechnologie
Forschungszentrum caesar
Tel. 0228/9656371
E-Mail: siegfried.steltenkamp@caesar.de

Johannes Seiler | idw
Weitere Informationen:
http://www.caesar.de/stroemungssensor.html
http://www.uni-bonn.tv/podcasts/20121217_BE_Stroemungssensor_F2.mp4/view

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