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Millimeterwellensensor Lebensmittelkontrolle mit Millimeterwellen

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wir können durch Glas, Wasser und Luft hindurchsehen, nicht aber durch Packpapier, Plastik oder Pappe. Was dem menschlichen Auge verborgen bleibt, macht ein neuer Millimeterwellensensor, den Fraunhofer-Forscher entwickelt haben, sichtbar. Er durchleuchtet optisch nicht transparente Stoffe und arbeitet anders als Röntgenscanner nicht mit gesundheitsschädlichen Strahlen.

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Der Millimeterwellensensor durchleuchtet alle optisch nicht transparenten, nicht metallischen Materialien. (Bild: Fraunhofer FHR)
Der Millimeterwellensensor durchleuchtet alle optisch nicht transparenten, nicht metallischen Materialien. (Bild: Fraunhofer FHR)

Wachtberg – Ist die Packung richtig befüllt? Befinden sich in der Schokolade Verunreinigungen? Sind die Plastiknähte korrekt verschweißt? Verbirgt sich in dem Päckchen ein Messer? Antworten auf all diese Fragen liefert der Materialscanner SAMMI (Stand Alone MilliMeter wave Imager). Der Millimeterwellensensor durchleuchtet alle optisch nicht transparenten Materialien. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg haben das Gerät entwickelt, das nicht größer ist als ein kompakter Laserdrucker ist (50 x 32 cm).

Alle nicht-metallischen Stoffe stellen für SAMMI kein Hindernis dar. „Das System erkennt Holzsplitter im Zellstoff von Windeln, Luftblasen im Kunststoff, Brüche im Marzipanriegel, Fremdkörper in Lebensmitteln. Es kann sogar den Austrocknungsprozess in Pflanzen beobachten und feststellen, wie stark diese durch Trockenperioden gestresst wurden“, sagt Dr. Helmut Essen, Leiter der Abteilung Millimeterwellenradar und Höchtstfrequenzsensorik vom FHR. Daher ist der Scanner vielseitig einsetzbar – er eignet sich sowohl für die industrielle Produktkontrolle und Qualitätssicherung als auch für die Materialanalyse im Labor. Da das System gefährliche Substanzen wie Sprengstoffpulver in Briefen detektieren kann, lassen sich auch gefährdete Personen wie etwa Politiker oder Mitarbeiter in Frachtunternehmen mit dem Millimeterwellenradar schützen.

Spezifischer und sicherer als Röntgenstrahlen

Der Clou: SAMMI macht kleinste Materialunterschiede sichtbar, die im Röntgenbereich verborgen bleiben. Denn anders als Röntgenscanner unterscheidet SAMMI beispielsweise zwischen den unterschiedlichen Füllungen von Pralinen oder Gummimischungen, die eine ähnliche oder identische Absorption aufweisen. Ein weiterer Vorteil: Der Materialscanner arbeitet nicht mit ionisierender Strahlung, die zu Gesundheitsschäden führen kann. Er ist zudem wartungsarm, regelmäßige Prüfungen wie bei Röntgenröhren entfallen.

Wie funktioniert SAMMI?

Im Gehäuse des Systems sind auf zwei sich gegenüberliegenden rotierenden Scheiben je eine Sende- und eine Empfangsantenne angebracht. Ein Förderband fährt die Probe – etwa ein Paket mit unbekanntem Inhalt – zwischen den Antennen hindurch, wobei diese elektromagnetische Wellen im Hochfrequenzbereich von 78 GHz senden. Die verschiedenen Zonen der Probe dämpfen das Signal mit unterschiedlicher Intensität. Auf diese Weise zeigen die diversen Materialzusammensetzungen einer Probe einen unterscheidbaren Kontrast an. „Im Prinzip untersuchen wir die zu durchleuchtenden Gegenstände auf Unähnlichkeiten“, erläutert Dr. Essen. Der Probeninhalt wird in Echtzeit auf einem ausklappbaren Display dargestellt, das Bestandteil des Scanners ist. Enthält ein Paket beispielsweise ein Messer, so ist sogar die Maserung des Griffs erkennbar. Sollte dieser hohl sein, zeigt der Millimeterwellensensor dies ebenfalls an. Das Gerät scannt eine Fläche von 30 x 30 cm in rund 60 s.

Auch für mobile Anwendungen geeignet

„Unser System lässt sich ohne Sicherheitsvorkehrungen und -einweisungen bedienen und durch sein geringes Gewicht von rund 20 Kilogramm mobil einsetzen. Zudem ist es für unterschiedliche Messfrequenzen auslegbar“, betont der Wissenschaftler. Künftig wollen die Forscher das System für Terahertzfrequenzen von 2 THz aufrüsten. „Dann werden wir in der Lage sein, nicht nur unterschiedliche Strukturen zu erkennen, sondern auch feststellen können, aus welchem Kunststoff ein Produkt ist. Das ist im Augenblick noch nicht möglich“, so Dr. Essen.

Derzeit eignet sich SAMMI nur für Stichprobenkontrollen. Doch die FHR-Forscher sind dabei, den Millimeterwellensensor für eine Produktionsstraße in einer Industrieanlage zur schnellen, automatisierten Kontrolle von Waren anzupassen: Hierfür bringen sie eine Zeile von Sensoren über dem Förderband an. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 6 m/s sollen die Produkte künftig durchleuchtet werden.

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