Smartpump

Smartpump – die kleinste Mikrodosierpumpe der Welt schafft Raum für Innovationen

Warum brauchen wir diese neue Technologie?

Die Smartpump ist ein Mini-Labor »to go«: Sie passt sowohl in ein Mobiltelefon, als auch in einen Jackensaum, kann mit einem Pflaster an der Haut fixiert und sogar in den menschlichen Körper implantiert werden. Sie misst in Kombination mit geeigneten Sensoren zum Beispiel Feinstaub, giftige Gase, Feuchtigkeit oder den Insulinspiegel. Außerdem kann sie als Mikropumpe kleinste Mengen an Gas oder Flüssigkeit genau dosieren. Überall dort, wo kleine mobile Analyse und Dosiermöglichkeiten einen Mehrwert bringen – etwa als Teil eines Frühwarnsystems oder für medizinische Anwendungen eröffnet die Smartpump neue Lösungen.

Wem nutzt diese neue Technologie?

Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. So ermöglicht sie etwa Feinstaubmessungen per Mobiltelefon zum persönlichen Gesundheitsschutz oder individuelle Warnungen vor giftigen Gasen beim Einsatz von Feuerwehrleuten. Beispiele für medizinische Anwendungen sind die Insulinmessung bei Diabetikern oder die Glaukom-Therapie, bei der die Mikropumpe Implantiert und der Augeninnendruck darüber reguliert würde. Feinmechanische Geräte könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden.

Wie funktioniert die neue Technologie/Lösung?

»Unsere Smartpump ist nur 25 Quadratmillimeter groß und damit die kleinste Pumpe der Welt. Trotzdem hat sie ein hohes Kompressionsverhältnis«, erläutert Dr. Martin Richter, der die Abteilung Mikrodosiersysteme an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München leitet. Um in der Pumpkammer Druck zu erzeugen, nutzt das Forscher-Team den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mit Hilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran nach oben oder unten bewegt, Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.

Was macht das Projekt einzigartig?

Herkömmliche piezoelektrisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Asymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht unvermeidbar ein hohes Totvolumen. Dem Forscherteam ist es gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: Die Membran wird bereits bei der Montage mit dem Piezoeffekt definiert vorgespannt. Somit wird die tiefe Pumpkammer überflüssig. Das ermöglicht höhere Kompressionsverhältnisse und insgesamt noch kleinere Mikropumpen.

Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen. Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen.

Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit unter anderem dadurch erschwert, dass die Reaktionszeiten für diese Sensoren viel zu lang sind. Die Smartpump könnte den Gassensoren gezielt Luft zuführen und so die Reaktionszeit von mehreren Minuten auf zwei Sekunden verkürzen.

Warum fördert die Fraunhofer-Zukunftsstiftung das Projekt?

Die Förderung der Fraunhofer-Zukunftsstiftung schafft die technischen Voraussetzungen für die Anwendung der Smartpump – z. B. in Smartphones. Ziel ist es, dass die Technologie für zahlreiche Anwendungsbereiche vorbereitet und dann großflächig einsetzbar ist.

Weitere Projektbeispiele der Fraunhofer-Zukunftsstiftung

 

JOSEPH

Sprachassistenten wie Alexa oder Siri vereinfachen den Alltag von Millionen Menschen. Wir navigieren per Spracheingabe, streamen unsere Lieblingssongs und lassen uns die aktuellen Nachrichten vorlesen. Die intelligenten Helfer sind in vielen Bereichen längst nicht mehr weg zu denken. Zunehmend jedoch stehen sie in der Kritik, weil sie »nebenbei« sensiblen Daten der Nutzer sammeln und weiterverarbeiten. Aus Datenschutzgründen verzichten viele Unternehmen und Organisationen daher auf den Einsatz von »fremder« Sprachassistenz-Software, obwohl die Technologie enormes Potential bieten würde.

 

AHEAD

Mit AHEAD erhalten Forscherinnen und Forschern gezielte Trainings und Coachings, um ihre noch jungen Innovationen zu tragfähigen Geschäftsmodellen weiter zu entwickeln. Ziel ist es, die Entwicklungen als Start-Ups oder über Lizensierung an Unternehmen am Markt verfügbar zu machen. Durch gezieltes Fördern und Begleiten von Forscherteams soll sich die Gründungsintensität und -geschwindigkeit junger, technologiegetriebener Start-Ups signifikant erhöhen. Damit werden nicht nur die Innovationskraft der deutschen Wirtschaft gefördert, sondern auch technische Lösungen zum Wohl der Gesellschaft in die Anwendung gebracht.

 

EDDA

Die Bilderkennungs-Software EDDA erleichtert Hilfskräften den Einsatz in Katastrophengebieten. Sie liefert ein aktuelles und belastbares Lagebild, das die rasche Verteilung von Hilfsgütern sichert und damit Leben rettet.

 

FAVRE

Weltweit ist Beton der meistverwendete Werkstoff. Bei der Zementherstellung entsteht allerdings klimaschädliches Kohlendioxid (ca. 700 kg CO2 je Tonne Zement) und geeigneter Bausand als Ausgangsrohstoff wird immer knapper. In manchen Regionen der Welt bilden sich bereits mafiöse Strukturen, die Sand illegal von Küstenlinien und aus Flussbetten rauben. Der Ressourcenverbrauch an Sand und Kies, welcher für die Herstellung von Beton benötigt wird, beträgt jährlich rund 40 Milliarden Tonnen. Bildlich dargestellt könnte aus dieser Menge Sand eine Mauer mit einer Breite und Höhe von 27 Metern um den Äquator gebaut werden.

 

Ihr Herzensprojekt

Im Rahmen der Fraunhofer-Zukunftsstiftung können Sie gezielt die Forschungsprojekte fördern, die Ihnen besonders am Herzen liegen. Ein Stiftungsengagement bietet Ihnen eine Reihe von Vorzügen. Die Fraunhofer-Zukunftsstiftung will diese zukunftsträchtigen Entwicklungsansätze gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft in Bewegung bringen und neue Perspektiven bieten. Ein Stiftungsengagement kann jungen Ideen, Unternehmen und Produkten Starthilfe leisten, deren Markeintritt beschleunigen und passende und aussichtsreiche Anschlussfinanzierungen erschließen.