Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat gedruckte Magnetfeldsensoren aus Eisen, Eisenoxid und biobasierten Materialien wie Zellulose oder Stärke entwickelt. Die Bauteile sollen sich nach ihrem Einsatz kontrolliert abbauen oder recyceln lassen.

Aus dem heutigen Alltag sind Magnetfeldsensoren nicht mehr wegzudenken. Milliardenfach werden sie in Autos, Smartphones, Festplatten oder Verpackungen verbaut. Sie messen Bewegungen, Positionen oder Abstände und stecken auch in Fensterkontakten, Lenkrädern oder Sicherheitssystemen.

„Viele dieser Sensoren enthalten Materialien wie Nickel oder Kobalt“, sagt Dr. Denys Makarov, Leiter der Abteilung Intelligente Materialien und Funktionselemente am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR). „Das sind Stoffe, die problematisch für Umwelt und Gesundheit sein können, wenn sie nicht sachgerecht entsorgt werden.“ Gleichzeitig erfordere ihre Herstellung oft energieintensive Prozesse und komplexe Fertigungsschritte.

Die Entwicklung einer nachhaltigen Alternative ist daher auch technisch anspruchsvoll, doch einem internationalen Forscherteam am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ist dies nun gelungen, wie es in der Fachzeitschrift Nature Communications dokumentierte – und dazu benötigte es im Prinzip nur Eisen, Zellulose und Bienenwachs. Statt auf klassische Herstellungsverfahren setzt das Team dabei auf biobasierte Tinten und industrielle Drucktechnologien.

Bienenwachs bestimmt die Lebensdauer

Eisen sei zwar gut verfügbar und biologisch verträglich, erreiche allein aber nicht die nötige Empfindlichkeit. Das Team kombinierte deshalb Eisen mit Eisenoxid und entwickelte Partikel, bei denen ein Eisenkern von einer dünnen Oxidschicht umgeben ist. Nach Angaben der Forscher erreichen die gedruckten Sensoren in bestimmten Einsatzbereichen Empfindlichkeiten, die mit heutigen kommerziellen Lösungen vergleichbar seien.

„Die Herausforderung besteht darin, aus diesen nachhaltigen Materialien einen Sensor mit brauchbarer Leistung zu entwickeln“, sagte Lin Guo, der das Projekt im Rahmen seiner Dissertation umsetzt. Hergestellt werden die Sensoren per Siebdruck, einem Verfahren, das eher aus der Textilindustrie bekannt ist. „Wir drucken Sensoren nur dort, wo wir sie brauchen“, erklärte Makarov. Das spare Material und Energie.

Die Sensorschicht wird in eine Matrix aus Zellulose oder Stärke eingebettet. Eine Schicht aus biokompatiblen Polymeren oder Bienenwachs schützt die Bauteile vor Feuchtigkeit und bestimmt ihre Lebensdauer. „Über die Verkapselung können wir steuern, wie lange ein Sensor stabil bleibt“, sagte Guo. Löse sich die biologische Matrix später im Wasser auf, blieben vor allem oxidierte Eisenpartikel zurück. „Das ist im Grunde genommen Rost“, sagte Makarov. Auf potenziell toxische Verbindungen werde bewusst verzichtet.

Die Technologie ist nach Angaben des HZDR bereits lizenziert. Als mögliche Anwendungsfelder nannte das Team intelligente Verpackungen, medizinische Einwegprodukte und Sensorsysteme für die Landwirtschaft.