Licht hört Schall

© Michael Mazohl

Das Mikrofon von Balthasar Fischer funktioniert ohne Membran, dafür mit Laser. Mit dieser Erfindung begeistert der Gründer Forscher und Unternehmer.

Die Start-up-Szene wächst rasant. Mit ihren Ideen und Geschäftsmodellen konkurrieren die Mini-Unternehmen um Publicity, Investoren und Förderer. Und das nicht nur im Silicon Valley – auch hierzulande räumen kreative Köpfe mit frischen Ideen ab. Einen wahren Boom erleben momentan die optischen Technologien mit einer besonders aktiven Gründerszene. Photonik gilt als zukunftsweisend. Egal ob Industrie 4.0, intelligente Beleuchtungskonzepte für morgen oder neue bildgebende Verfahren für die Medizintechnik – Licht hat Zukunft. Davon sind etablierte Unternehmen und Forschungseinrichtungen ebenso überzeugt, wie aufstrebende Nachwuchswissenschaftler.

Laser statt Membran

Balthasar Fischer ist einer von ihnen. Und er hat es geschafft. Seine Idee: ein optisches Mikrofon, das ohne bewegliche Teile auskommt. Diese Erfindung hat ihn zum Unternehmer gemacht. Konzerne und Forschungseinrichtungen wie das Cern, Fraunhofer, Zeiss und Siemens tummeln sich mittlerweile auf seiner Kundenliste, TRUMPF Venture zählt zu den Investoren. Die Start-up-Phase hat die Xarion Laser Acoustics GmbH bereits hinter sich gelassen. 15 Mitarbeiter arbeiten heute bei dem Wiener Technologie-Unternehmen an dem kleinen Sensor.

Wir revolutionieren die Prozess- und Maschinenüberwachung in der industriellen Fertigung.

Besser als das menschliche Ohr

Ein Laserstrahl ersetzt bei Fischers Erfindung die bei konventionellen Mikrofonen verwendete, bewegliche Membran. Trifft eine Schallwelle auf das Laserlicht seines optischen Mikrofons, ändert sich durch den Druck minimal die Lichtgeschwindigkeit und der Laserstrahl breitet sich langsamer aus. Die Schallwelle wird also indirekt über die Lichtintensität gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Laserstrahl statt Membran: Die Schallwellen verändern die Geschwindigkeit des Laserlichts. Der Schall wird also indirekt über die Lichtintensität gemessen. (Foto: Xarion)

Das Ergebnis lässt sich dann wiederrum optisch darstellen. Da der wenige Millimeter große Sensor ohne bewegliche Teile auskommt, ist er unempfindlich gegen äußere Einflüsse. Außerdem kann er Töne vom tiefen Infraschall bis zum Ultraschall im Megaherzbereich messen und erschließt so einen Frequenzbereich, der 50 Mal größer ist, als der des menschlichen Ohrs – und zehn Mal größer als der beste Luftschallsensor, der momentan zu haben ist. „Damit revolutionieren wir die Prozess- und Maschinenüberwachung in der industriellen Fertigung“, sagt Fischer. „Wenn wir beispielsweise einer Laser-Materialbearbeitungsmaschine zuhören, können wir ganz genau sagen, ob die Düse verstopft ist oder wie tief der Laserstrahl in das zu bearbeitende Material eindringt. Diese Informationen erhalten wir durch das Zuhören mit dem Mikrofon bei ganz hohen Ultraschallfrequenzen.“ Unter anderem für Industrie 4.0-Anwendungen sieht Fischer darum Einsatzmöglichkeiten.

Den Fehler hören

Das optische Mikrofon fertigt Xarion im Reinraum in Wien. (Foto: Xarion)

Aber auch in der zerstörungsfreien Materialprüfung, etwa im Flugzeugbau, könnte das optische Mikrofon bald zum Einsatz kommen. Denn es analysiert berührungslos das Materialinnere, wie ein Versuchsaufbau bei Xarion demonstriert: Über einer Kohlefaserverbundstoffplatte ist dort ein Schallsender angebracht, der Ultraschall emittiert. Darunter der Sensor. „Das Mikrofon misst, wie viel Schall durch die Platte geht. Da der Sensor sehr empfindlich und sehr breitbandig misst, kann man selbst ganz kleine Fehlstellen sehen. Und dies mit einer guten Schärfe“, betont Fischer.

Krebs früher erkennen

Klein und präzise: Ohne bewegliche Teile misst das Mikrofon Töne vom tiefen Infraschall bis zum Ultraschall im Megaherzbereich. (Foto: Xarion)

Ohne bewegliche Teile ist das Mikrofon unempfindlich gegenüber Vibrationen, Windgeräuschen und Körperschall. Und da keine träge Masse bewegt wird, sind Nachschwingungen ausgeschlossen. Darum misst es selbst unter Wasser oder in radioaktiver Umgebung zuverlässig in einem Frequenzumfang bis zu 25 Megahertz. Das macht es auch für die Medizintechnik interessant. Genauer für die photoakustische Tomographie: Hier bringen Laserimpulse Gewebe zum Schwingen. Die daraus resultierenden Ultraschallwellen werden mit dem Mikrofon erfasst. So wird sichtbar, ob das Gewebe an einzelnen Stellen verändert ist. Krebserkrankungen lassen sich so frühzeitig und ohne große Eingriffe erkennt.

Bereit für den rauen Alltagseinsatz?

Viel Potenzial also für einen kleinen Sensor. Dabei war Fischer anfangs keineswegs sicher, ob seine Idee gut genug sein würde, um darauf ein Unternehmen aufzubauen. „So eine Firmengründung ist immer mit viel Risiko verbunden und ob es am Ende wirklich klappt, weiß man nicht. Das ist wie ein Sprung ins kalte Wasser“, sagt Fischer. Mit dem ehemaligen McKinsey-Partner Leonhardt Bauer holte er sich darum 2012 einen Mitgründer mit Start-up-Erfahrung an Bord und stellte so alles auf wirtschaftlich sichere Beine. „Als Techniker ist man von seiner eigenen Entwicklung oft so begeistert, dass man ganz vergisst, dass es da auch wichtige wirtschaftliche Aspekte gibt, die man beachten muss.“

Als Techniker ist man von seiner eigenen Entwicklung oft so begeistert, dass man ganz vergisst, dass es da auch wichtige wirtschaftliche Aspekte gibt, die man beachten muss.

Seine Erfindung hat Balthasar Fischer zum Firmenchef gemacht. (Foto: Michael Mazohl)

Neben dem unternehmerischen Risiko machten ihm aber zu Beginn noch technologische Fragen zu schaffen. „Vor uns hat noch niemand auf diese Weise Schall gemessen. Das war komplett neu. Wir mussten auch immer wieder mit kleineren Rückschlägen klarkommen. Aber wenn die Physik sagt, so geht das nicht, dann kann man nicht diskutieren. Das hat mir schon manchmal den Schlaf geraubt.“ Die schlaflosen Nächte liegen mittlerweile hinter ihm, das Produkt funktioniert. Nun arbeitet das Xarion-Team daran, das optische Mikrofon im rauen Industriealltag zu etablieren. Denn es ist nicht gesagt, dass ein Sensor, der unter Laborbedingungen funktioniert, dies in der Fertigung ebenfalls zuverlässig tut. „Wir integrieren unseren Sensor momentan in vielen spannenden Projekten. Jetzt steht nicht mehr das Mikrofon im Mittelpunkt, sondern das Problem des Kunden. Wir müssen also nochmals umdenken.“

 

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