TU Ilmenau - Quantensensoren im Feldeinsatz: Auf Bodenschatzsuche mit dem SQUID

Kupfer, Nickel, Lithium, Gold, Kobalt – wertvolle Rohstoffe wie diese kommen in Mikrochips, Akkus oder Solaranlagen zum Einsatz und bilden die Basis für unseren technologischen Fortschritt. Allein für die Halbleiterindustrie werden jährlich riesige Mengen Silizium benötigt – Tendenz steigend. Doch der Abbau dieser Bodenschätze ist meist invasiv und umweltschädlich, zudem ist Europa in hohem Maße auf Rohstoffimporte aus dem Ausland angewiesen.

Eine schonendere Alternative als Bohrungen in die Erde oder aufwändige geophysikalische Methoden am Boden sind kontaktlose Verfahren aus der Luft zur Erkundung der Bodenschätze: In der geophysikalischen Exploration werden gleichzeitig magnetische und elektrische Eigenschaften des Untergrunds mithilfe von luftgestützten Messungen präzise erfasst und somit neue Lagerstätten für Bodenschätze sowie deren Reserven ermittelt – ganz ohne Eingriffe in die Erde.

Im europäischen, national durch das BMBF geförderten Forschungsprojekt MAQSIMAL werden unter Beteiligung der Technischen Universität Ilmenau nicht-invasive geophysikalische Methoden für die Mineralexploration erforscht und verbessert. Herzstück ist ein neuartiger Quantensensor, der gegenüber bisheriger Sensorik deutlich höher aufgelöst misst und so auch tiefere geologische Schichten erfassen kann – zum Teil bis zu 2,5 Kilometer tief. So lassen sich auch bislang verborgene Lagerstätten nachhaltiger aufspüren und dreidimensional beschreiben.

Am Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik der TU Ilmenau arbeitet die Doktorandin Clara Stolzenberg an der Entwicklung eines solchen Sensors. Herzstück ihrer Forschung ist der sogenannte SQUID – ein Superconducting Quantum Interference Device, das magnetische Felder extrem feinfühlig detektiert. Für seine Herstellung nutzt Clara am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN) eine hochmoderne Plasma-Ätzanlage, die durch das BMBF-geförderte Projekt ForLab NataliE angeschafft wurde.

Dabei bringt sie mehrere Materialschichten auf einen Silizium-Wafer auf. Mithilfe von Fotolithografie und einem Chlor-Plasma-Prozess ätzt sie gezielt winzige Strukturen aus dem Material, die später die elektrischen Kontakte und supraleitenden Pfade des Sensors bilden. So entstehen die kleinsten Strukturen im SQUID unter der Nutzung des Maskless aligners: die sogenannten Josephson-Kontakte des SQUIDs im Sub-Mikrometermaßstab, wie Clara erklärt: „Das Besondere am SQUID ist sein Aufbau aus zwei Josephson-Kontakten gekoppelt über eine Induktivität, die Quanteninterferenzeffekte nutzbar machen. Damit können wir feinste Magnetfeldänderungen messen – auch in mehreren Kilometern Tiefe.“

Bevor der Sensor in den Feldeinsatz geht, wird er an der TU Ilmenau unter realen Einsatzbedingungen getestet. Dazu wird er in ein Heliumbad bei 4,2 Kelvin eingetaucht – ermöglicht durch eine moderne Heliumverflüssigungsanlage, die ebenfalls Teil der ForLab-Infrastruktur ist. Der fertige SQUID wird dann in einer Helium-gekühlten Kapsel mehrere Meter unter einem Helikopter montiert und über geologisch interessante Gebiete geflogen. Erste Testflüge sind in Schweden und Portugal geplant – Regionen mit unterschiedlich stark magnetisierten Untergründen. Ziel ist ein universell einsetzbarer Sensor, der geophysikalische Daten unabhängig vom Gesteinstyp liefern kann.

Neben dem Umweltschutz soll das Projekt die Abhängigkeit von Rohstoffexporten aus dem nicht-europäischen Ausland senken. „Wenn wir Bodenschätze effizient und nachhaltig erkunden können, stärken wir die Rohstoffsouveränität Europas“, betont Clara. Kooperationspartner des Projekts MAQSIMAL sind die supracon AG in Jena, GRM-services Oy (Finnland), LKAB (Schweden) und Laboratório Nacional de Energia e Geologia im Verbund mit SOMINCOR Boliden (Portugal).

Die Plasma-Ätzanlage, die Heliumverflüssigungsanlage, der Maskless aligner sowie weitere Geräte, die durch den Verbund „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland (ForLab)“ angeschafft wurden, sind am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien der TU Ilmenau angesiedelt und stehen ForLab-Universitäten und deren Partnern aus Forschung und Wirtschaft zur Nutzung zur Verfügung.

Titelbild: Im Reinraum des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien entwickelt Clara Stolzenberg mit der ForLab-Ätzanlage einen Sensor, der kleinste Magnetfeldveränderungen von magnetisierten und/oder elektrisch leitfähigen Strukturen bis zu großen Tiefen messbar machen soll. Foto: Eleonora Hamburg