Magneten für die Zukunft

08.07.2020

Gemeinsam mit Partner*innen aus der Praxis untersucht Dieter Süß in seinem Christian Doppler Labor die Anwendungsmöglichkeiten von magnetischen Sensoren im Automobil- und Medizinsektor. Erste Erfolge erzielte Süß' Technologie bei ABS-Systemen von Fahrzeugen und in der Herstellung von Dauermagneten.

Bei Festplatten sind Sensoren, die auf magnetische Widerstandsänderungen reagieren, schon lange in Gebrauch. Wie diese Technik auch in anderen Bereichen eingesetzt werden kann, erforscht Dieter Süß mit seinem Team im Christian Doppler Labor für Zukünftige magnetische Sensoren und Materialien, das an der Fakultät für Physik der Uni Wien angesiedelt ist. Hier werden im Speziellen sogenannte GMR- und TMR-Sensoren untersucht.GMR-Sensoren ("giant magnetoresistance") basieren auf der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands, für die Albert Fert und Peter Grünberg 2007 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Vereinfacht gesagt geht es dabei um die Feststellung, dass die Leitfähigkeit von Materialien auch von der Magnetisierungsrichtung abhängt. TMR-Sensoren ("tunnel magnetoresistance") nutzen das quantenmechanische Phänomen des magnetischen Tunnelwiderstands: Hier wird mit einem System gearbeitet, bei dem zwischen zwei magnetischen Schichten eine nicht-magnetische Schicht liegt. Die mögliche Anwendung von GMR- und TMR-Sensoren in neuen Branchen wurde im CD-Labor gemeinsam mit zwei Praxispartner*innen untersucht.

Neue Sensoren verbessern ABS-Systeme

In der Zusammenarbeit mit dem weltweit führenden Halbleiterhersteller Infineon wurde ein bekanntes Problem bei neuartigen GMR-Sensoren für ABS-Systeme in Fahrzeugen behoben: Bei bestimmten Einbaupositionen der GMR-Sensoren treten in Bezug auf das magnetische Kodierungsrad große Ungenauigkeiten des Systems auf. Dieter Süß: "Wir konnten herausfinden, dass diese Ungenauigkeiten nicht in der Produktion entstanden. Als Alternative haben wir einen völlig neuen Sensor – den Vortex Sensor – entwickelt, der das Problem löst und zugleich die Produktion vereinfacht. Das Sensorkonzept wurde zuerst patentiert und dann in 'Nature Electronics' publiziert."

Für diese Entwicklung wurde das Forschungsprojekt für den Houskapreis 2019 nominiert. Der Einsatz des neuen Sensorendesigns hat weitreichende Folgen für Automobilhersteller, wie Süß erklärt: "Alleine Infineon benötigt rund 180 Millionen dieser Sensoren pro Jahr, um die Drehgeschwindigkeit der Reifen von Fahrzeugen oder Parameter wie die Lenkradstellung für ABS-Systeme messen zu können."

In Christian Doppler Laboren wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben. Hervorragende Wissenschafter*innen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Sie werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW). An der Universität Wien gibt es derzeit sechs CD-Labore.

Erstmals Dauermagneten aus 3D-Druck

Ein weiteres Forschungshighlight gelang dem Forscher*innenteam in Kooperation mit der Magnetfabrik Bonn: Hier konnten erstmals Permanentmagnete mit Hilfe additiver Fertigung (3D-Druck) hergestellt werden. Durch dieses Verfahren werden Dauermagneten in komplexen Formen schnell und kosteneffektiv produziert. Die dreidimensionalen Objekte bestehen zu etwa 90 Prozent aus magnetischem Material und zu 10 Prozent aus Polymer. Wird das Objekt am Ende der Produktion einem magnetischen Feld ausgesetzt, verwandelt es sich in einen Dauermagneten.

Diese 3D-Technik wurde vom Wiener Forschungsteam erstmalig eingesetzt. Dieter Süß: "Unsere Innovation hat international großes Aufsehen erregt, 2016 hat sogar 'The Economist' auf dem Cover über diese neue Methode berichtet." Die einfache und trotzdem präzise Fertigung von Dauermagneten eröffnet eine Vielzahl von neuen Anwendungsgebieten, unter anderem auch im medizinischen Bereich. Hier gibt es eine Kooperation mit dem AKH Wien, die Verbesserungsmöglichkeiten bei der Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht.

Erfahrung trifft Flexibilität

Die Forschungsarbeit von Dieter Süß basiert auf einer speziellen Software, die von seinem Team entwickelt wurde, um die magnetischen Eigenschaften von Materialien zu beschreiben. Führende Festplattenhersteller nutzen die Software etwa für die Optimierung und das Design von GMR-Leseköpfen.

Die beachtlichen Erfolge des CD-Labors für Zukünftige magnetische Sensoren und Materialien erklärt Süß so: "Wir haben einerseits sehr viel Erfahrung mit der Simulation von magnetischen Materialien, andererseits geben uns die Unternehmenspartner*innen die Möglichkeit, anwendungsorientierte Forschung zu betreiben und unsere Innovationen rasch umzusetzen. Ohne Flexibilität und schnelle Entscheidungen der Christian Doppler Gesellschaft und der kooperierenden Unternehmen hätte man keine Chance, international vorne dabei zu sein." (bw)

Assoz.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Dieter Süß ist Sprecher der Gruppe "Physik Funktioneller Materialien" an der Fakultät für Physik der Universität Wien und leitet das Christian Doppler Labor für Zukünftige magnetische Sensoren und Materialien. Das Projekt läuft von 2013 bis 2020.

Magnetische Sensoren spielen unter anderem in der Geschwindigkeits- und Positionserfassung von Autos eine wichtige Rolle. Im CD-Labor werden neue Anwendungen erforscht. (© Pixabay/Pexels)
Dieter Süß leitet das Christian Doppler Labor für Zukünftige magnetische Sensoren und Materialien und ist Sprecher der Gruppe "Physik Funktioneller Materialien" an der Fakultät für Physik. (© Privat)
Ein magnetischer Sensor, bei dem das magnetische Wandlerelement einen Wirbelzustand aufweist (© Dieter Suess et al.).