Vektormagnetometrie mit NV-Zentren Quantensensorik macht Navigation unabhängig vom GPS-Empfang

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An Orten, wo es keinen Satellitensignalempfang gibt, soll das Erdmagnetfeld als Navigationsreferenz dienen. Das US-Startup Dirac Labs kombiniert dafür NV-Zentren in Diamant mit KI-Signalverarbeitung und Sensorfusion. Jetzt fließen 1,8 Millionen US-Dollar in Prototypen und Feldversuche.

GPS ist zwar global verfügbar, aber nicht überall präsent. Unter Wasser, unter Tage oder in stark abgeschirmten Umgebungen gibt es keine GNSS-Signale. Genau hier setzt Dirac Labs an: Das Spin-off der University of Wisconsin-Madison hat eine kompakte Quantensensorplattform entwickelt, die das Erdmagnetfeld quasi als ortsabhängigen Fingerabdruck nutzt. Für die Entwicklung und Erprobung seiner Sensoren hat das Unternehmen eine Vorab-Finanzierung von 1,8 Millionen US-Dollar erhalten.

Diamant wird zum Magnetfeldsensor

Im Zentrum der Plattform steht ein Magnetometer auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen in Diamant, sogenannten NV-Zentren. Dabei handelt es sich um atomare Gitterdefekte, bei denen ein Stickstoffatom einen Kohlenstoffplatz im Diamantgitter besetzt und eine benachbarte Gitterstelle unbesetzt bleibt. Der Elektronenspin des NV-Zentrums dient als quantenmechanisches Sensorelement, das empfindlich auf äußere Magnetfelder reagiert.

Damit wird aus einer Änderung der Spinresonanz eine hochpräzise Magnetfeldmessung. Das Messprinzip basiert auf der optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR), bei der durch Laser- und Mikrowellenstrahlung ein angeregter Zustand realisiert wird, der über die Fluoreszenzstrahlung gemessen wird. NV-Magnetometer können dabei bei Raumtemperatur betrieben werden und benötigen kein kryogenes Kühlsystem.

Dirac Labs hat das praktisch umgesetzt und gibt für seinen Sensor NVD 4 eine Empfindlichkeit von unter 1 pT/√Hz an. Die Plattform soll damit deutlich kleinere Magnetfeldänderungen erfassen können als konventionelle Magnetfeldsensoren.

Vom Magnetfeld zur Position

Die eigentliche Herausforderung liegt allerdings nicht in der Magnetfeldmessung, sondern darin, aus den Messwerten eine Position abzuleiten. Das Erdmagnetfeld ist kein homogener Vektor. Neben dem großräumigen Feld des Erdinneren überlagern sich lokale Anomalien, die unter anderem durch magnetisierte Gesteine und geologische Strukturen entstehen. Dadurch besitzt die Erdoberfläche regional charakteristische magnetische Signaturen, die das US-Unternehmen als „magnetischen Fingerabdruck“ bezeichnet.

Das Verfahren ähnelt damit der Navigation mit einer topografischen Karte, nur dass anstelle von Höhenprofilen Magnetfeldprofile verwendet werden. Der Sensor misst kontinuierlich Betrag und Richtung des Feldes. Ein Algorithmus vergleicht diese Signatur mit einer hinterlegten Magnetfeldkarte und bestimmt daraus die wahrscheinlichste Position.

Forschungsarbeiten zur magnetfeldgestützten Navigation zeigen, dass ein solcher Kartenabgleich insbesondere als Korrektur für eine inertiale Navigation interessant ist. Eine inertiale Messeinheit (IMU) liefert kurzfristig sehr genaue Bewegungsdaten, driftet aber über längere Zeit. Mit Magnetfeldmessungen lässt sich diese Drift korrigieren. Entscheidend ist dabei eine ausreichend hohe Magnetfeldauflösung sowie ein probabilistischer Abgleich der Messwerte mit der Referenzkarte.

Der Magnet-Quantensensor ersetzt damit nicht einfach einen GPS-Empfänger. Er bildet vielmehr einen zusätzlichen Navigationskanal, der zusammen mit der Inertialmesseinheit, Magnetfeldkarte und weiteren Sensorsignalen eine Position bestimmt.

KI übernimmt die Signalverarbeitung

Hier kommt die zweite Hälfte der Dirac-Plattform ins Spiel, die Kombination der Quantensensorik mit KI-Modellen für die Signalverarbeitung und Sensorfusion. Die Software extrahiert die schwachen magnetischen Signaturen aus dem Sensorsignal und berücksichtigt auch zeitlich veränderliche Störungen.

Das ist auch für Fahrzeuge relevant: Motoren, Generatoren, Stromleitungen, Aktoren und magnetische Werkstoffe erzeugen lokale Magnetfelder, die das Erdmagnetfeld überlagern können. Hinzu kommen Änderungen durch die Bewegung und Orientierung des Sensors. Die US-Firma hat eigenen Aussagen zufolge seine Systeme bereits unter realen Bedingungen getestet, unter anderem mit Magnetfeldkartierung, wechselnden Hintergrundfeldern und KI-basierter Rauschunterdrückung.

Skalierung über Halbleiter-Fertigungstechnik

Technisch interessant ist auch der Fertigungsansatz. Das Start-up will die Sensoren mit halbleiterkompatiblen Fertigungsverfahren skalieren. Das adressiert eines der zentralen Probleme der Quantensensorik: Viele hochpräzise Laborsysteme sind aufgrund ihrer optischen, magnetischen und mechanischen Komponenten zu groß, teuer oder empfindlich für einen breiten industriellen Einsatz.

Beim NV-Ansatz liegen die entscheidenden Quanteneigenschaften dagegen in einem Festkörper. Diamant kann mit optischen und elektronischen Komponenten in einem kompakten Sensor auf gängigen Halbleiterprozessen integriert werden.

Die technische Messlatte bleibt allerdings hoch. Für die Navigation sind nicht nur die Empfindlichkeit, sondern auch Bandbreite, Temperaturstabilität, Dynamikbereich, Kalibrierung und Langzeitstabilität das A und O. Hinzu kommt die Herausforderung, Magnetfeldänderungen durch das eigene Fahrzeug von den geologischen Signaturen zu trennen.

Plug-and-play statt Plattformumbau

Diese Hürde will man mit einer möglichst einfach integrierbaren Plattform umgehen. Der Sensor soll an vorhandene GPS-Anschlüsse beispielsweise von Flugzeugen, U-Booten oder anderen Fahrzeugen angeschlossen werden können, ohne dass die Plattform grundlegend umgebaut werden muss. Der Sensor NVD 4 wird vom Unternehmen als Plug-and-play-Quantennavigationssystem gedacht und soll unter anderem für Flugzeuge, maritime Systeme und CubeSat-Nutzlasten geeignet sein.

Besonders interessant ist dieser Ansatz auch für autonome Systeme. Unterwasserfahrzeuge können GNSS-Signale nicht kontinuierlich nutzen; unter Tage und in abgeschirmten Bereichen gilt Ähnliches. Auch in Umgebungen, in denen GNSS-Signale absichtlich gestört oder unzuverlässig sind, kann eine passive Magnetfeldnavigation eine zusätzliche, schwer angreifbare Referenz liefern.

Vom Quantensensor zum Navigationssystem

Entscheidend für derartige Systeme ist die Integration des Sensors in eine robuste Systemarchitektur aus Optik, HF-Elektronik, Halbleitertechnik, Signalverarbeitung, KI und Sensorfusion. Gerade NV-Diamant-Zentren sind dafür interessant: Sie verbinden quantenmechanische Präzision mit einem Festkörpersensor, der bei Raumtemperatur arbeitet und miniaturisierbar ist. Forschungsarbeiten zeigen bereits Vektormagnetometrie mit NV-Zentren und Anwendungen für die Navigation, auch für maritime und Tiefsee-Anwendungen.

Dirac Labs steht allerdings noch an einem wichtigen Übergang, denn die aktuelle Finanzierung dient dazu, Prototypen aufzubauen und Feldversuche durchzuführen. Ob aus der hohen Laborempfindlichkeit tatsächlich eine robuste Positionsbestimmung unter realen Bedingungen wird, müssen diese Tests zeigen. Die entscheidenden Kennwerte werden dabei weniger die maximale Empfindlichkeit sein als die erreichbare Positionsgenauigkeit, zeitliche Drift, Robustheit gegenüber fahrzeugeigenen Magnetfeldern und der Energie- und Integrationsaufwand.(kr)

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