Mit 25 Quadratmillimetern ist die Smartpump, die Forscher am Fraunhofer EMFT entwickelt haben, die kleinste Membranpumpe der Welt. Für ihre winzige Größe hat sie jedoch ein erstaunlich hohes Kompressionsverhältnis.
So funktioniert die winzige Pumpe
Um in der Pumpkammer Druck zu erzeugen, nutzen Dr. Martin Richter und sein Team vom Fraunhofer EMFT den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mit Hilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran nach oben oder unten bewegt, dadurch Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.
Ein Trick für mehr Druck auf kleinstem Raum
Herkömmliche piezoelektisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Unsymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht ein hohes Totvolumen, also ein Restvolumen, dessen Gasinhalt nicht ausgestoßen wird.
Durch einen Trick ist es Dr. Martin Richter und seinem Team vom Fraunhofer EMFT gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: „Wir spannen die Membran bei der Montage der Piezokeramik mit dem Piezoeffekt definiert vor. Das hat den Vorteil, dass wir keine tiefe Pumpkammer mehr benötigen. Dieser Trick ermöglicht nicht nur Mikropumpen mit hohen Kompressionsverhältnissen, sondern auch insgesamt kleiner zu bauen“, erklärt Dr. Richter.
Geheimwaffe Silizium
Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen.
Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen. Deshab strebt Dr. Richter für seine Mikropumpe eine Größe von zehn Quadratmillimetern an, um sie rentabel in der Massenfertigung zu machen.
Schnell reagierende Gassensoren fürs Smartphone
Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit unter anderem durch ihre langen Reaktionszeiten erschwert. Die Smartpump könnte den Gassensoren gezielt Luft zuführen und so die Reaktionszeit von mehreren Minuten auf zwei Sekunden verkürzen. Messen ließe sich nicht nur die Feinstaub-Belastung, sondern beispielsweise auch, ob die Raumluft verbraucht ist und die Fenster zum Lüften geöffnet werden sollten.
Auch eine Atemluft-Analyse wäre prinzipiell möglich, beispielsweise um den Alkohol-Gehalt zu kontrollieren. „Allerdings ist hier eine hohe Messgenauigkeit erforderlich, die zurzeit noch nicht erzielt wird. Sonst setzt sich jemand in dem Glauben, nur 0,3 Promille zu haben, hinter das Steuer, hat aber in Wirklichkeit 0,9“, warnt Richter.
Einsatzmöglichkeiten in der Medizin
Die Mikropumpe könnte auch im medizinischen Bereich zum Einsatz kommen, zum Beispiel als Medikamenten-Pflaster, das kontinuierlich Kleinstmengen eines Hormons oder Schmerzmittels abgibt. Oder als Implantat, mit dessen Hilfe sich der Augeninnendruck bei einer Glaukom-Therapie regulieren ließe. Maschinen könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden. An dieser Anwendung arbeitet das Forscherteam nach eigenen Angaben derzeit mit einem Partner aus der Industrie.
Pumpe für Duftkino
Im Rahmen des Förderprogramms Discover, das unkonventionelle und originelle Ideen unterstützt, erforschen Richter und seine Kollegen noch ein weiteres Anwendungsgebiet: das Hinterlegen von Audio- und Videodateien mit Duftszenarien. Dabei wird die Smartpump in einem Headset verbaut, um in der Nähe der Nase genau dosierte Düfte zu verabreichen.
Generell sei die Smartpump für alle Anwender interessant, die kleinste Mengen an Flüssigkeiten oder Gasen genau dosieren wollen.
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