Im Jahr 2012 gewann Walter Schäfer mit einem optischen Messgerät zur Analyse von Tropfen und Partikeln in Strömungen den ersten Platz im Ideenwettbewerb der Technischen Universität Darmstadt.
Das preisgekrönte Konzept ging aus seiner Promotionsforschung am Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik der TU Darmstadt hervor. Es stellte einen kompakten optischen Ansatz zur Messung komplexer Tropfen vor, darunter Emulsionen, Suspensionen und nicht transparente Spraytropfen. Das Projekt belegte den ersten Platz unter 81 eingereichten Geschäfts- und Forschungsideen.
Über den Ideenwettbewerb der TU Darmstadt
Der Ideenwettbewerb der TU Darmstadt ermutigte Studierende, Absolventinnen und Absolventen sowie Forschende, innovative Forschungsergebnisse und Geschäftskonzepte einer Fachjury zu präsentieren.
Die TU Darmstadt richtete den Wettbewerb seit 2007 jährlich aus. Sein Hauptziel war es, Forschung mit kommerziellem Potenzial zu identifizieren, den Technologietransfer zu fördern und die Gründungskultur an der Universität und in der gesamten Region Darmstadt zu stärken.
Im Jahr 2012 stieg die Beteiligung stark an. Beim Wettbewerb gingen 81 Einreichungen ein, fast dreimal so viele wie im Vorjahr. Mit dem ersten Platz setzte sich der optische Tropfenanalysator somit gegen 80 andere Ideen aus unterschiedlichen wissenschaftlichen und technischen Fachgebieten durch.
Die Siegeridee: ein optischer Tropfenanalysator
Das Siegerprojekt befasste sich mit der optischen Charakterisierung einzelner Tropfen und Partikel in einer Strömung.
Tropfen- und Partikeleigenschaften spielen in vielen industriellen Prozessen eine wichtige Rolle. Ihre Größe, Geschwindigkeit, Transparenz und Zusammensetzung können die Stabilität und Qualität von Sprüh-, Beschichtungs-, Trocknungs-, Verbrennungs- und Partikelherstellungsprozessen beeinflussen.
Viele etablierte optische Messsysteme funktionieren jedoch am besten mit transparenten und nahezu kugelförmigen Tropfen. Sie liefern unter Umständen weniger zuverlässige Ergebnisse, wenn Tropfen Pigmente, suspendierte Partikel, emulgierte Stoffe oder andere innere Strukturen enthalten.
Walter Schäfers Forschung setzte genau an dieser Einschränkung an. Das vorgeschlagene Messgerät erweiterte bestehende optische Verfahren so, dass sich mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand auch nicht transparente Partikel sowie Tropfen aus Suspensionen und Emulsionen messen ließen.
Warum sind komplexe Tropfen schwer zu messen?
Ein transparenter und homogener Tropfen erzeugt häufig ein klar definiertes Lichtstreusignal. Komplexe Tropfen können dagegen Folgendes enthalten:
- Feststoffpartikel,
- Pigmente,
- unterschiedliche flüssige Phasen,
- Lufteinschlüsse,
- Kristalle,
- biologisches Material,
- stark absorbierende Bestandteile.
Diese inneren Strukturen können Intensität und Form des Streulichts verändern. Herkömmliche Auswerteverfahren erkennen die relevanten Signalmerkmale daher unter Umständen nicht.
Das preisgekrönte Konzept begegnete dieser Herausforderung, indem es die zeitaufgelösten Lichtstreusignaturen einzelner Tropfen oder Partikel aufzeichnete und analysierte.
Die Rolle der zeitaufgelösten Lichtstreuung
Wenn ein Tropfen einen geformten Laserstrahl durchquert, streut er Licht in Richtung eines oder mehrerer optischer Detektoren. Die Detektoren zeichnen auf, wie sich die Lichtintensität während des Tropfendurchgangs verändert.
Statt nur einen einzigen Intensitätswert zu verwenden, analysiert das Messsystem das vollständige zeitliche Signal. Je nach optischer Anordnung kann dieses Signal Informationen enthalten über:
- Tropfengröße,
- Tropfengeschwindigkeit,
- optische Transparenz,
- innere Zusammensetzung,
- Partikelkonzentration,
- Signalsymmetrie,
- charakteristische Streumoden.
Diese detaillierten Signalinformationen bilden eine Grundlage sowohl für physikalische Auswerteverfahren als auch für eine spätere statistische oder KI-gestützte Analyse.
Bezug zur TSTOF-Messtechnik
Die im Wettbewerb vorgestellte Forschung war Teil der frühen Entwicklung des Time-Shift-Time-of-Flight-Verfahrens, abgekürzt TSTOF.
Walter Schäfer entwickelte die ersten Prototypen während seiner Promotion zwischen 2008 und 2012 gemeinsam mit Prof. Cameron Tropea an der TU Darmstadt. Die ersten funktionsfähigen Prototypen wurden ebenfalls 2012 öffentlich vorgestellt.
TSTOF nutzt zeitaufgelöste optische Streusignale, um einzelne Tropfen oder Partikel zu charakterisieren. Das Verfahren kombiniert Informationen über die zeitliche Lage, die Form und die Abfolge der Signalspitzen.
Dadurch kann das Messgerät mehr Informationen gewinnen als optische Systeme, die lediglich die mittlere Intensität eines gesamten Sprays messen.
Anwendungen in Gefriertrocknungs- und Beschichtungsprozessen
Laut TU Darmstadt bot der Messansatz Potenzial sowohl für Anwendungen in der Gefriertrocknung als auch für industrielle Beschichtungsprozesse.
In der Beschichtungstechnik beeinflussen Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit:
- den Sprayübertrag,
- die Flächenabdeckung,
- die Gleichmäßigkeit der Beschichtung,
- den Overspray,
- die Filmbildung,
- den Materialverbrauch.
Zudem enthalten Lacke häufig Pigmente und andere feste Bestandteile. Daher lassen sich Lacktropfen mit Messverfahren, die hauptsächlich für transparente Flüssigkeiten ausgelegt sind, oft nur schwer analysieren.
Auch in Trocknungs- und Partikelherstellungsprozessen beeinflussen die Tropfeneigenschaften Verdunstung, Wärmeübertragung, Partikelbildung und die Eigenschaften des Endprodukts.
Ein kompakter Messansatz
Ein weiterer wichtiger Aspekt des Projekts war der vergleichsweise geringe apparative Aufwand.
Industrielle Anwender benötigen häufig kompakte Messgeräte, die in bestehende Prüfstände oder Produktionsanlagen passen. Große optische Systeme erfordern unter Umständen Zugang von mehreren Seiten, eine empfindliche Justage oder viel Einbauraum.
Das Siegerkonzept zielte darauf ab, diese Komplexität zu verringern und dabei den Zugang zu Informationen einzelner Tropfen zu erhalten. Diese Kombination aus detaillierter Messung und praxisgerechter Systemauslegung trug zum kommerziellen Potenzial des Projekts bei.
Förderer des Wettbewerbs 2012
Mehrere Industrieunternehmen und regionale Organisationen unterstützten den Wettbewerb finanziell:
- Umicore AG,
- Sparkasse Darmstadt,
- ISRA VISION,
- Merck KGaA,
- Software AG.
Ihr Engagement unterstrich, wie wichtig die Zusammenarbeit zwischen Universitäten, Technologieunternehmen, Investoren und regionalen Institutionen ist, wenn Forschung in praktische Anwendungen überführt werden soll.
Entwicklung nach dem Wettbewerb
2013 wurde ai-quanton als Ausgründung der TU Darmstadt gegründet. Das Unternehmen setzte die Entwicklung optischer Messgeräte und Analyseverfahren auf Basis der TSTOF-Messtechnik fort.
Der Wettbewerbsbeitrag von 2012 entsprach noch nicht den heutigen KI-Plattformen in ihrer aktuellen Form. Vielmehr legte er die optische und signalverarbeitende Grundlage, aus der spätere Produkt- und Technologieentwicklungen hervorgingen.
Zu diesen späteren Entwicklungen gehören:
- SpraySpy, ein Markenname für etablierte TSTOF-basierte Messgeräte,
- SprayQuantAI, ein KI-gestützter Ansatz zur Zählung und Tropfenanalyse,
- ParticleTensorAI, ein tensorbasiertes Verfahren zur Auswertung gepufferter Lichtstreusignale.
Diese Namen bezeichnen spätere kommerzielle oder technologische Entwicklungen. Der zugrunde liegende physikalische Messprozess bleibt die optische Erfassung und Analyse zeitaufgelöster Lichtstreusignale.
Bedeutung des ersten Platzes
Der Ideenwettbewerb der TU Darmstadt markierte einen wichtigen Übergang von der Promotionsforschung zu einem industriellen Technologiekonzept.
Die Auszeichnung würdigte mehrere zentrale Aspekte des Projekts:
- seine wissenschaftliche Grundlage,
- seine Relevanz für industrielle Prozesse,
- seine Fähigkeit, komplexe Tropfen zu analysieren,
- seinen kompakten Messansatz,
- sein Potenzial für eine Kommerzialisierung,
- seinen Beitrag zum Technologietransfer der Universität.
Damit wurde der erste Platz zu einem frühen Meilenstein in der Entwicklung der optischen Spraymesstechnik bei ai-quanton.
