Ein starker Sturm zieht auf. Für die Rotorblätter einer Windkraftanlage bedeutet dies eine starke Belastung. Mikroskopisch kleine Schädigungen können sich im faserverstärkten Kunststoff bilden, welche oft unerkannt bleiben. Steifigkeits- und Festigkeitsverlust sind die Folge und führen im Extremfall beim nächsten Sturm zum Abknicken oder Abbrechen der Rotorblätter.
Frühwarnsystem in Rotorblättern
Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz und des Fraunhofer-Instituts für Elektronische Nanosysteme (ENAS) entwickelten nun eine mehrschichtige Sensorfolie, die mit fluoreszierenden Nanopartikeln beschichtet ist. Wird diese Folie beispielsweise in die Oberflächen der Rotorblätter eingebettet, könnten bei Routinewartungen von Windkraftanlagen Hinweise auf mögliche Schädigungen frühzeitig gegeben werden.
Der Grund: Die Folie ändert unter Belastung ihre Helligkeit und speichert diesen Zustand eine gewisse Zeit. Auch bei Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen oder Leichtbauteilen wäre diese Sicherheitsmaßnahme sinnvoll. Selbst bei Fahrrad- oder Motorradhelmen könnten Nutzer so über den Zustand ihres Kopfschutzes informiert werden.
Kristalle geben Gewissheit
Möglich wird dies durch winzige Halbleiter-Nanokristalle. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern und Ladungen können diese als Nanosensoren genutzt werden.
„Auf der Basis von Quantenpunkten haben wir ein neues System zur Visualisierung von mechanischer Belastung entwickelt“, berichtet Dr. Jörg Martin vom Fraunhofer. Herzstück sei die Kombination piezoelektrischer Elemente mit einer sogenannten QD-Komposit-Schicht, womit die mechanische Belastung in eine lokal reduzierte Photolumineszenz der Partikel umgewandelt wird. Letztendlich wird eine schlagartige Belastung – zum Beispiel an einem Rotorblatt – als gut erkennbarer optischer Kontrast sichtbar.
Wächter auf Energiediät
„Für die Nanosensoren selbst ist keine Energieversorgung notwendig“, sagt Martin Möbius vom Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz. Dementsprechend wäre eine energieautarke Überwachung großer Flächen oder Bauteile mit nahezu jeder beliebigen Form möglich, und es ließen sich kritische Belastungen – insbesondere an Leichtbauteilen – im Rahmen üblicher Wartungen gut erkennen.
„Eine große Herausforderung dieser Entwicklung ist dabei die funktionsgerechte Integration der Sensorschichten in Leichtbaustrukturen, etwa durch Einlaminieren“, fügt Dr. Martin vom Fraunhofer hinzu. Jedoch eröffne gerade das Einbringen zusätzlicher Funktionalität ein riesiges Anwendungspotenzial, weshalb gemeinsam mit weiteren Forschern der TU Chemnitz weitere Lösungsansätze untersucht und umgesetzt werden.
Erstmals präsentieren die Chemnitzer ihre „clevere Folie“ und ihre neuen Sensorkonzepte vom 24. bis 27. April 2017 auf der Hannover Messe am Stand des Fraunhofer ENAS auf dem Gemeinschaftsstande des IVAM Fachverband für Mikrotechnik: Halle 6, Stand C30.
