E-Feld Sensorik

Die zuverlässige Messung der Stärke eines elektrischen Feldes ist recht komplex und kaum ohne starke Störungen durch das Messgerät möglich. Die Vermeidung dieser Störungen wäre für eine Vielzahl von Forschungsbereichen, einschließlich der Blitzforschung, von großem Interesse. Daher schlagen wir eine einzigartige und neue Transduktionstechnik für statische und niederfrequente elektrische Felder vor, die den Weg für neuartige Messtechniken ebnen wird. Das Ziel umfasst miniaturisierte Sensorelemente, die eine passive Transduktion, eine Auflösung von besser als 100 V/m, eine unbedeutende Temperaturabhängigkeit und vor allem eine vernachlässigbare Verzerrung des elektrischen Feldes ermöglichen. Um diese Ziele zu erreichen, ist eine konsekutive elektro-mechanische, mechano-optische und opto-elektronische Domänenkonversion vorgesehen. Für den mikrobearbeiteten elektromechanischen Wandler, der auch als Lichtflussmodulator dient und eine extrem empfindliche mechano-optische Umwandlung ermöglicht, müssen anspruchsvolle Konstruktionsziele verfolgt werden. Dielektrische Wellenleiter werden verwendet, um diesen Wandler mit Licht von der entfernten Quelle zu versorgen und das modulierte Licht zum entfernten Photodetektor zu leiten, um minimale Verzerrungen des elektrischen Feldes zu erhalten. Aufgrund der Vielzahl der beteiligten physikalischen Bereiche erfordern alle wissenschaftlichen Fragen einen interdisziplinären Forschungsansatz zu zahlreichen Themen. Um die im Allgemeinen schwachen elektrostatischen Kräfte in eine detektierbare Verschiebung umzuwandeln, ist eine ausgeklügelte Wandlertechnik vorgesehen. Zu diesem Zweck ist eine umfangreiche numerische 3D-Modellierung vorgesehen, um die Wechselwirkung des praktisch zweidimensionalen mikroelektromechanischen Wandlers mit dem externen elektrischen Feld zu optimieren. Der Einfluss unipolarer Ladungen, die sich am Wandler ansammeln, kann das Primärfeld stören, und damit verbundene Effekte wie Langzeitdrift müssen gründlich untersucht werden. Modernste Mikrobearbeitungstechnologien und fortschrittliche Modellierung ermöglichen ausgefeilte Konstruktionsmaßnahmen, die erforderlich sind, um den Anforderungen der empfindlichen elektromechanischen Umwandlung gerecht zu werden. Zur Bestätigung des Gesamtkonzepts werden Feldtests durchgeführt, um praktische Implementierungen des Wandlers im freien Raum an geophysikalischen Messstellen zu charakterisieren, insbesondere zur Bestimmung der elektrischen Feldstärke der Atmosphäre bei Schönwetter und Gewitter. Der erfolgreiche Abschluss des Projekts wird zu einer neuen Generation sehr empfindlicher Wandler für statische und sich langsam ändernde elektrische Felder führen. Der vorgeschlagene Ansatz verspricht unübertroffene Vorteile für zahlreiche praktische Anwendungen, z. B. in der Blitz- und geophysikalischen Forschung. Das Forschungsteam besteht aus Experten auf den Gebieten Sensordesign und Modellierung (Dr. W. Hortschitz), Mikrotechnik (Prof. Dr. F. Keplinger) sowie Blitzforschung (Dr. G. Diendorfer) von der Donau- Universität Krems, der Technischen Universität Wien bzw. dem OVE.

Ziel des von der niederösterreichischen Landesregierung mitbegründeten Projekts war es, eine neue Art der passiven elektrischen Feldmessung zu etablieren, die das zu messende E-Feld kaum verzerrt. Der angestrebte Ansatz basiert auf Mikrosystemtechnologie und nutzt E-Feld-induzierte mechanische Auslenkungen in Verbindung mit einer sehr empfindlichen optischen Auslesung. Die extrem schwachen elektrostatischen Kräfte erfordern hoch entwickelte Techniken, um diese Kräfte in messbare Auslenkungen umzuwandeln. Die E-Feld-Wandlung erfordert weder eine elektrische Stromversorgung noch eine geerdete Verbindung. Als Verbindung zwischen Messkopf und Elektronik wurden dielektrische Lichtwellenleiter angedacht. Damit sollten viele Messungen insbesondere von (quasi-)statischen Feldern ermöglicht werden, die mit modernen Systemen derzeit nicht realisierbar sind. Durch die Einfachheit der optischen Auslesung mit einer Mikro-Blende kann auf teure Komponenten wie kohärente Lichtquellen, Optokoppler oder Strahlteiler verzichtet werden. Die stabförmige Sonde mit dem Wandler an ihrem fernen Ende ermöglicht eine nahezu punktförmige Messung der elektrischen Feldstärke in einem Abstand von einem Meter bei nahezu vernachlässigbaren Verzerrungen des elektrischen Feldes. Mit der ersten Serie von funktionierenden Mikrosystemen konnte nachgewiesen werden, dass die vorgeschlagene Methode für die Messung des elektrischen Feldes praktikabel ist. Im Rahmen des Projekts wurden beispielsweise hochpräzise, punktförmige Abbildungen des Feldes eines elektrostatischen Quadrupols erstellt. Diese Messungen wurden an einem der Quadrupol-Fokussierelemente des ELENA-Rings am CERN durchgeführt, wo ein unbefriedigter Bedarf an Instrumenten zur Qualitätskontrolle und Optimierung ihrer elektrostatischen Komponenten besteht. Die Ergebnisse des Projekts führten zu einer neuen Methode zur Messung des elektrischen Feldes. Wie bereits erwähnt, ermöglichen die einzigartigen Eigenschaften dieser Methode neue Arten von Messungen, die sich als neue Forschungsagenda präsentieren. Dazu gehören die Weiterentwicklung der Erforschung der atmosphärischen Elektrizität oder der ökologischen und physiologischen Auswirkungen der Hochspannungs-Wechselstrom- und Gleichstrom-Infrastruktur. Die entsprechenden Ergebnisse bergen die Möglichkeit für Paradigmenwechsel. Aus heutiger Sicht ist der größte Nutzen für andere Wissenschaftszweige im Bereich der Atmosphärenforschung zu sehen. Mit dem entwickelten Sensor wird es möglich sein, Veränderungen des ungestörten elektrostatischen Feldes in der Atmosphäre zu beobachten und damit einen entscheidenden Einblick in die zugrunde liegenden Prozesse der Atmosphärenforschung, Meteorologie und Blitzforschung zu gewinnen. Große Fortschritte werden auf diesem Gebiet erwartet, insbesondere bei der periodischen, automatisierten und räumlich verteilten Messung der Feldstärke mit Drohnen. Im Bereich der Medizin und Biologie kann das neue Messsystem (nach Weiterentwicklung) zur Untersuchung der Auswirkungen spezifisch statischer elektrischer Felder auf Organismen eingesetzt werden. Schlussendlich werden von dem neuen System neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Triboelektrizität und deren Auswirkungen im Bereich des Ladungstransports durch Staub erwartet.