Zerstörungsfrei untersuchen Mit der Physik in Brücken, Pipelines und Flugzeugteile blicken

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Ein Spin-off der ETH Zürich nutzt die Physik, um das Innere von Brücken oder Flugzeugteilen zu untersuchen und damit die Stabilität zu überprüfen. Ursprünglich diente die Technik zur Erkundung des Mars.

Als die unbemannte Nasa-Sonde InSight Ende 2018 auf dem Mars landete, hatte sie eine noch nie ausgeführte Mission: Sie sollte die innere Struktur des Mars erforschen. Möglich machte da ein hochempfindliches Seismometer, das von der ETH Zürich mitentwickelt wurde. Dieses zeichnet feinste Erschütterungen auf, die etwa durch Marsbeben oder Meteoriteneinschläge verursacht werden.

Doch um die seismischen Daten von der Mars-Sonde zur Erde zu schicken und zu entschlüsseln, brauchte es mehr als nur ein Messgerät: Die Forscher der ETH Zürich entwickelten daher Modelle und Simulationen, mit denen sie von den Daten auf die Struktur des Marsinneren schließen konnten. Die Technik kann nicht nur auf dem Mars helfen.

Entstanden ist das ETH-Spin-off Mondaic und Christian Boehm ist heute der Geschäftsführer: „Was uns damals ermöglichte, in den Mars hineinzuschauen, hilft uns heute, in Brücken, Flugzeugteile oder andere Materialien hineinzuschauen.“ Dazu greifen wir auf Wellen aus der Physik zurück. Eine Welle wird etwa durch ein Ultraschallgerät ausgelöst und anschließend durch ein Objekt bewegt. Die Wellen werden von einem Hindernis reflektiert und verändern sich. An dieser Stellen kommen die Sensoren ins Spiel. Sie messen, wie sich das Muster der Welle im Inneren des Objekts verändert.

Die Technik dahinter

Das technische Prinzip von Mondaic ist einfach erklärt: Eine Welle wird etwa durch ein Erdbeben oder ein Ultraschallgerät ausgelöst und bewegt sich durch ein beliebiges Objekt. Das kann ein ganzer Planet sein, aber auch ein Betonpfeiler oder ein Flugzeugflügel. Boehm und sein Team messen dann mit Sensoren, wie das Innere des Objekts durch Reflexion das Muster der Welle verändert.

Die gewonnenen Daten vergleichen die Ingenieure von Mondaic mit einem digitalen Zwilling des Objekts, der seine physikalischen Eigenschaften abbildet. Boehm erklärt den Vorgang anhand einer Pipeline: „Mit unserer Software simulieren wir zum Beispiel, wie sich eine Ultraschallwelle durch die Pipeline bewegen müsste, wenn diese nicht beschädigt ist“. Weichen das Wellen-Muster der echten Pipeline von jenem ihres digitalen Zwillings ab, wissen Boehm und sein Team, dass etwas nicht stimmt. So können sie unter anderem berechnen, dass es in der Pipeline Risse geben muss und wo sich diese befinden.

Mondaic kombiniert präzise Wellen mit effizienter Cloud-Techniken. Damit sind schnelle Analysen in der Cloud möglich. „Die Effizienz moderner Cloud-Anwendungen macht unsere Entwicklung alltagstauglich und wettbewerbsfähig“, sagt Boehm. Dank der vollständigen Automatisierung von der Datenerfassung bis zum Analyseergebnis, kann unsere Anwendung auch von Personen eingesetzt werden, die keine Experten in der Physik sind.

Forschungssoftware und ein marktfähiges Produkt

Die Software von Mondaic entstand ursprünglich im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte an der Professur für Seismologie und Wellenphysik. Doch der Weg vom Code für Forschungszwecke zum marktfähigen Produkt war mit zahlreichen Hindernissen gespickt: „Wir mussten alles neu denken, um die Software stabil und benutzerfreundlich zu machen und die Anwendung vollständig zu automatisieren. Das begann von den Messdaten bis zum fertigen Bild“, sagt Boehm.

Die Stärke von Mondaics liegt in der Kombination von präziser Physik und effizienter Cloud-Technik. Was früher nur auf Hochleistungsrechnern möglich war, lässt sich heute in wenigen Minuten in der Cloud berechnen. „Die Effizienz moderner Cloud-Anwendungen macht unsere Technik auch außerhalb der Forschung alltagstauglich und wettbewerbsfähig“, erklärt Boehm.

Marode Brücken untersuchen

In Deutschland untersucht das Team von Mondaic den Zustand von Brücken gemeinsam mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und der Firma Vallen Systeme. Dabei stehen vor allem Schallemissionsdaten im Fokus. „Man bezeichnet dieses Verfahren auch als Mikro-Seismologie, weil der Riss eines vorgespannten Spannkabels im Innern einer Brücke wie ein kleines Erdbeben wirkt und wir das mit unserer Software ermitteln können“, sagt Boehm.

Im Vergleich zu der ConScope-Technik, die auf Erkenntnissen aus der Erdbebenforschung basiert und Codawellen zur Risserkennung nutzt, setzt Mondaic auf eine direkte Vergleichsanalyse der realen Daten mit digitalen Zwillingen der zu prüfenden Strukturen. Beide Verfahren zielen darauf ab, Strukturschwächen frühzeitig zu erkennen und somit die Sicherheit von Bauwerken nachhaltig zu erhöhen.

Kohlefaserverstärkten Kunststoff prüfen

Potenzial hat die Technik auch in der Luft- und Raumfahrt. Gemeinsam mit der Fachhochschule Nordwestschweiz und Forschern der ETH Zürich testeten Boehm und sein Team ein Bauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, wie es etwa in der Außenhülle von Flugzeugen verbaut wird. Die Software von Mondaic war in der Lage, Schäden zu entdecken, die im Zuge der Fertigung entstanden sind. „Das zeigt das Potenzial unseres Verfahrens für die Qualitätskontrolle von Hightech-Bauteilen“, sagt Boehm.

Was als wissenschaftliches Werkzeug zur Erforschung des Mars begann, trägt heute dazu bei, Bauteile und Infrastruktur auf der Erde sicherer zu machen. Doch ganz abgeschlossen hat Boehm mit dem roten Planeten noch nicht: „Vielleicht fliegt eines Tages ein von Mondaic geprüftes Bauteil auf den Mars. Bis es so weit ist, haben wir aber hier auf der Erde genug zu tun.“ (heh)

Monitoringsystem

Sensoren im Beton schützen Brücken und Infrastruktur

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