Magnetresonanzsysteme

Empfindlichkeit erhöhen und Systeme verkleineren

In einem Forschungsprojekt sollen kompakte Hochleistungs-Magnetresonanzsysteme, die in vielen Bereichen eingesetzt werden können, entwickelt werden.

Im Sonderforschungsbereich (SFB) 1527 "HyPERiON", den das Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) koordiniert, möchten Forschende des KIT und der Universitäten Kaiserslautern, Konstanz und Stuttgart gemeinsam eine Technologie für kompakte Hochleistungs-Magnetresonanz entwickeln. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den interdisziplinären Verbund ab dem 1. Juli 2022 über vier Jahre mit mehr als 10,6 Millionen Euro.

Magnetresonanzsysteme sind aufgrund ihrer Technologie recht groß (Bild). Das Forschungsteam des neuen Sonderforschungsbereichs arbeitet daran, dass diese Methode mit deutlich kleineren Geräten möglich wird. © Amadeus Bramsiepe, KIT

Magnetresonanz-Messungen liefern detaillierte Informationen über Struktur und Funktion molekularer Materie. So ist die Magnetresonanz eine grundlegende Technik für chemische, biologische oder materialwissenschaftliche Charakterisierungen. Die geringe Empfindlichkeit und der relativ hohe Spezialisierungsgrad stehen einem flächendeckenden Einsatz aber im Weg. Der Sonderforschungsbereich „Kompakte Hochleistungs-Magnetresonanzsysteme – HyPERiON“ (High Performance Compact Magnetic Resonance) will dies ändern, indem er konventionelle Konzepte entlang der gesamten Signalverarbeitungskette hinterfragt. Ziel ist es, Empfindlichkeit, Belastbarkeit und Anwendbarkeit der Magnetresonanz gleichermaßen zu verbessern. Das Team um SFB-Sprecher Professor Jan G. Korvink vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT möchte das Volumen von Hochleistungs-Magnetresonanzsystemen von zwei Kubikmetern auf die Größe eines 10-Liter-Eimers reduzieren – also um mehr als den Faktor 200. Dies könnte ihre Anwendung aus dem Labor in chemische und pharmazeutische Fabriken oder z.B. auch in Arztpraxen bringen und die Technologie damit universell nutzbar machen. „Letztendlich geht es um die Erforschung neuer und aufregender Anwendungen im Bereich der Chemie, der Biologie bis hin zum Bereich chemischer Verfahrenstechnik“, so Korvink.
Miniaturisierung

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Um seine Ziele zu erreichen, konzentriert sich der SFB auf die Miniaturisierung sämtlicher an der Magnetresonanztechnik beteiligten Komponenten. Dies sind supraleitende Magnete, Kühlsysteme, Hochgeschwindigkeitselektronik, Magnetresonanzsensoren, Geräte für ultraschnelle Datenübertragung sowie Geräte zur Hyperpolarisation des Kernspins von Materialien und biologischen Proben. „Die Integration all dieser Technologien in eine moderne, tragbare Plattform wird dazu führen, dass wir Anwendungen von gesellschaftlicher Relevanz vorantreiben können, etwa in der Diagnostik von Krankheiten, beim Einsatz von medizinischen Implantaten oder bei der Entdeckung von Medikamenten“, erklärt SFB-Sprecher Korvink. Die Beteiligten des SFB gehen davon aus, dass ihre Forschungsergebnisse die schnelle und hochauflösende Charakterisierung von Materialien mittels magnetischer Resonanz auch für kleinere Budgets verfügbar machen und insgesamt die Entwicklungen in der Chemie und den Materialwissenschaften vorantreiben können.
Schnelle Suche nach den besten Materialien

Die Anforderungen sind komplex und umfassen nicht nur die Funktion des Materials, sondern auch seine Auswirkungen auf Lebewesen und Umwelt und darauf, wie das Material wiedergewonnen oder abgebaut werden kann. „Wenn die Materialcharakterisierung schnell und hochauflösend für eine sehr große Anzahl von Varianten mit nur winzigen Proben durchgeführt werden kann und wir die Tests auch unter Betriebsbedingungen durchführen und Abbauprozesse untersuchen können, dann haben wir die Chance, die besten Ausgangsmaterialien zu finden, die unseren Erwartungen entsprechen. Das gilt insbesondere auch im Hinblick auf einen minimalen CO2-Fußabdruck." Jan Korvink ist überzeugt: „HyPERiON wird die Möglichkeiten der Materialcharakterisierung grundlegend verändern und eine neue Generation von jungen Forschenden sowie Ingenieurinnen und Ingenieuren in ihrer Anwendung für gesellschaftliche Herausforderungen schulen."

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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