Electric Field Sensing - Elfis

Zusammenfassung für die Öffentlichkeitsarbeit

Ziel des von der niederösterreichischen Landesregierung mitbegründeten Projekts war es, eine neue Art der passiven elektrischen Feldmessung zu etablieren, die das zu messende E-Feld kaum verzerrt. Der angestrebte Ansatz basiert auf Mikrosystemtechnologie und nutzt E-Feld-induzierte mechanische Auslenkungen in Verbindung mit einer sehr empfindlichen optischen Auslesung. Die extrem schwachen elektrostatischen Kräfte erfordern hoch entwickelte Techniken, um diese Kräfte in messbare Auslenkungen umzuwandeln. Die E-Feld-Wandlung erfordert weder eine elektrische Stromversorgung noch eine geerdete Verbindung. Als Verbindung zwischen Messkopf und Elektronik wurden dielektrische Lichtwellenleiter angedacht. Damit sollten viele Messungen insbesondere von (quasi-)statischen Feldern ermöglicht werden, die mit modernen Systemen derzeit nicht realisierbar sind.
Durch die Einfachheit der optischen Auslesung mit einer Mikro-Blende kann auf teure Komponenten wie kohärente Lichtquellen, Optokoppler oder Strahlteiler verzichtet werden. Die stabförmige Sonde mit dem Wandler an ihrem fernen Ende ermöglicht eine nahezu punktförmige Messung der elektrischen Feldstärke in einem Abstand von einem Meter bei nahezu vernachlässigbaren Verzerrungen des elektrischen Feldes.
Mit der ersten Serie von funktionierenden Mikrosystemen konnte nachgewiesen werden, dass die vorgeschlagene Methode für die Messung des elektrischen Feldes praktikabel ist. Im Rahmen des Projekts wurden beispielsweise hochpräzise, punktförmige Abbildungen des Feldes eines elektrostatischen Quadrupols erstellt. Diese Messungen wurden an einem der Quadrupol-Fokussierelemente des ELENA-Rings am CERN durchgeführt, wo ein unbefriedigter Bedarf an Instrumenten zur Qualitätskontrolle und Optimierung ihrer elektrostatischen Komponenten besteht.
Die Ergebnisse des Projekts führten zu einer neuen Methode zur Messung des elektrischen Feldes. Wie bereits erwähnt, ermöglichen die einzigartigen Eigenschaften dieser Methode neue Arten von Messungen, die sich als neue Forschungsagenda präsentieren. Dazu gehören die Weiterentwicklung der Erforschung der atmosphärischen Elektrizität oder der ökologischen und physiologischen Auswirkungen der Hochspannungs-Wechselstrom- und Gleichstrom-Infrastruktur. Die entsprechenden Ergebnisse bergen die Möglichkeit für Paradigmenwechsel.
Aus heutiger Sicht ist der größte Nutzen für andere Wissenschaftszweige im Bereich der Atmosphärenforschung zu sehen. Mit dem entwickelten Sensor wird es möglich sein, Veränderungen des ungestörten elektrostatischen Feldes in der Atmosphäre zu beobachten und damit einen entscheidenden Einblick in die zugrunde liegenden Prozesse der Atmosphärenforschung, Meteorologie und Blitzforschung zu gewinnen. Große Fortschritte werden auf diesem Gebiet erwartet, insbesondere bei der periodischen, automatisierten und räumlich verteilten Messung der Feldstärke mit Drohnen.
Im Bereich der Medizin und Biologie kann das neue Messsystem (nach Weiterentwicklung) zur Untersuchung der Auswirkungen spezifisch statischer elektrischer Felder auf Organismen eingesetzt werden.
Schlussendlich werden von dem neuen System neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Triboelektrizität und deren Auswirkungen im Bereich des Ladungstransports durch Staub erwartet.