Sensorfasern erkennen Veränderungen in Textilnetzen

Optische Sensoren in Fasern erkennen und orten Schäden in Netzen

Deutsche Wissenschaftler haben spezielle Textilfasern entwickelt, die als Sensoren eingesetzt werden. Die Sensoren bestehen aus Polymerfasern und warnen, wenn sich Textilnetze verändern oder beschädigt werden.

Sie sollen Gebäude vor dem Einsturz sichern und überwachen, dass Bahndämme oder Felshänge nicht ins Rutschen geraten: Netze aus Textilfasern mit einer Länge von bis zu 150 Metern und einer Breite von bis zu 6 Metern. Sie halten zwar ein Gewicht vom mehreren Tonnen, bevor sie reißen. Doch so weit soll es gar nicht erst kommen. Forscher aus Berlin und Chemnitz haben deshalb Sensoren entwickelt, die diese Netze überwachen und melden, wenn sie sich verändern.

Test eines Netzes im Labor des STFI (Foto: Wolfgang Schmidt)

Die Sensoren bestehen aus Polymerfasern, durch die Licht geschickt wird. Verformen oder verschieben sich die Fasern oder ändert sich die Temperatur, wird das Licht stärker gedämpft oder anders gestreut. Messgeräte erfassen und analysieren die Veränderungen des Lichts. Anhand dieser Daten können die Wissenschaftler erkennen, welcher Belastung die Fasern ausgesetzt sind und wo diese Veränderung auftritt. Es sei möglich, schreiben die Forscher, eine solche Stelle in einem großen Netz mit einer Genauigkeit zwischen 10 und 80 cm zu orten.

Die Entwicklung der Sensoren ist eine Gemeinschaftsarbeit des Sächsischen Texilforschungsinstituts (STFI) der Technischen Universität in Chemnitz und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin. Während in der BAM die Sensortechnik entwickelt wurde, kümmerten sich die Chemnitzer Textilforscher darum, die Sensorfasern in die Textilien zu integrieren, erklärte Frank Weigand vom STFI. Sie mussten dabei Verfahren entwickeln, um die Sensoren so in die Textilien zu integrieren, dass sie nicht beschädigt werden und gleichzeitig optimal arbeiten können. Dabei können die Anforderungen und Verfahren bei jeder Anwendung anders sein: Es gebe Anwendungen, bei denen die Sensoren besser funktionieren, wenn die Ummantelung straff sitzt, während es sich in anderen Fälle gezeigt habe, dass es besser sei, den Sensoren mehr Platz in ihrer Hülle zu lassen, beschrieb Weigand.

Bislang wurden Dehnungssensoren aus Kupfer für solche Zwecke eingesetzt. Die Metalldrähte haben jedoch gegenüber den Polymerfasern einige Nachteile. So können sie beispielsweise überbrückt oder durch Blitzeinschläge zerstört werden. Außerdem könne mit Hilfe der Kupferdrähte ein Schaden nur festgestellt, nicht aber genau geortet werden, sagte Weigand. Neben den Polymerfasern haben die Forscher auch mit Glasfasern experimentiert. Diese hätten sich jedoch als weniger gut geeignet erwiesen, da sie weniger elastisch, nicht so belastbar und schlechter zu verarbeiten seien als Polymerfasern.

Die Chemnitzer Wissenschaftler haben die Fasersensoren an einem speziellen Prüfstand in ihrem Institut, aber auch schon in der freien Natur erfolgreich getestet: Die Sensoren wurden bei der Sanierung der Bahnstrecke zwischen Chemnitz und Dresden verwendet. Seither überwachen sie in einer Kurve den Bahndamm und melden, wenn sich dieser verschieben sollte.