Mehr als zwei Jahre Entwicklungsarbeit liegen in dem kleinen kompakten neuen Messgerät: Der Prototyp ist nur so groß wie zwei übereinander gestellte Schuhkartons und steht auf einem Tisch im Labor des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff und Strahlentechnik in Dresden. Mit ihm können die Wissenschaftler messen, wieviel Wasserdampf eine Folie durchlässt, erklärt Dr. Wulf Grählert. Das Besondere sind die winzigen Mengen, die das Gerät aufspüren kann:
"200 Teile in einer Milliarde anderer Teile, Gasteilchen, das ist ungefähr der Bereich, den wir hier nachweisen können. Also man zählt die 200 Teilchen in einer Milliarde vorliegender anderer Teilchen und das ist einfach extrem empfindlich."
Solche winzigen Mengen spielen bei normalen Lebensmittelverpackungen keine Rolle. Aber im Hochtechnologiebereich ist es um so wichtiger, dass eine Umhüllung so wenig Wasserdampf wie möglich durchlässt, beispielsweise bei organischen Leuchtdioden in Bildschirmen:
"Das sind ja organische Moleküle, mit denen Licht erzeugt wird, und dort stören schon geringste Feuchtespuren, so dass diese organischen Moleküle zerstört werden. Und das äußert sich dann so, dass im Display dunkle Punkte sind, und das möchte natürlich keiner."
Wissenschaftler entwickeln deshalb immer dichtere solcher so genannten Barriereschichten, deren Funktionsfähigkeit natürlich getestet werden muss. Dafür standen bisher hauptsächlich weniger empfindliche Sensoren auf chemischer Basis zur Verfügung, sagt Wulf Grählert. Das neue Gerät des Fraunhofer-Institutes verwendet nun erstmals einen Laserstrahl, um die wenigen Wasserdampfmoleküle zu zählen, die durch die Barriereschicht oder die Folie kommen.
"Der Laserstrahl, der hier genutzt wird, der hat eine bestimmt Intensität. Und wenn dann ein Wassermolekül in diesem Strahlengang ist, dann regt der Laser dieses Molekül an zu schwingen. Es wird Energie vom Laserstrahl auf dieses Molekül gebracht, und man hat dann eine Intensitätsänderung des Laserstrahls und das wird gemessen."
Dabei hat der Laserstrahl eine bestimmte Frequenz, die nur auf die Wasserdampfmoleküle reagiert. Für die Messung wird die Folie in eine tellergroße flache Messzelle aus Edelstahl gespannt, erklärt Harald Beese, der das Gerät maßgeblich mitentwickelt hat.
"Wir lösen hier diese Schraubverbindung, heben den oberen Teil der Messzelle ab, legen eine Folie ein und senken den oberen Teil wieder ab."
Dann wird die Kapsel so präpariert, dass für alle Messungen Standardbedingungen herrschen, unter anderem bei der Luftfeuchtigkeit. Der Laserstrahl befindet sich im unteren Teil der Messzelle, er wird mehrmals hin und hergeschickt und zählt dabei die Wassermoleküle, die die Folie passieren. Eine spezielle Software wertet dann die Ergebnisse am Computer aus. Für die Messungen brauchen die Wissenschaftler allerdings Geduld. Sie dauern Tage bis Wochen, je nachdem, wie durchlässig die Folien sind. Deshalb arbeitet man auch schon an einer Weiterentwicklung des Gerätes:
"Wir möchten gerne ein Messgerät mit mehreren Messkammern aufbauen. Ganz einfach um den Durchsatz zu erhöhen, wollen wir mehrere Messzellen nebeneinander haben. Und das ist mit dem optischen Prinzip sehr einfach möglich, weil wir einfach den Laserstrahl umlenken, damit sind wir schneller und flexibler."
Außerdem will man das Gerät noch empfindlicher machen, schließlich werden auch immer undurchlässigere Barrierefolien entwickelt, die es zu testen gilt. Doch auch der Prototyp stößt bei der Industrie schon auf Interesse, erste Firmen lassen bereits Testmessungen durchführen. Das Unternehmen, das die Technik für den Prototypen geliefert hat und an dessen Bau beteiligt war, will das Gerät noch in diesem Jahr auf den Markt bringen.
"200 Teile in einer Milliarde anderer Teile, Gasteilchen, das ist ungefähr der Bereich, den wir hier nachweisen können. Also man zählt die 200 Teilchen in einer Milliarde vorliegender anderer Teilchen und das ist einfach extrem empfindlich."
Solche winzigen Mengen spielen bei normalen Lebensmittelverpackungen keine Rolle. Aber im Hochtechnologiebereich ist es um so wichtiger, dass eine Umhüllung so wenig Wasserdampf wie möglich durchlässt, beispielsweise bei organischen Leuchtdioden in Bildschirmen:
"Das sind ja organische Moleküle, mit denen Licht erzeugt wird, und dort stören schon geringste Feuchtespuren, so dass diese organischen Moleküle zerstört werden. Und das äußert sich dann so, dass im Display dunkle Punkte sind, und das möchte natürlich keiner."
Wissenschaftler entwickeln deshalb immer dichtere solcher so genannten Barriereschichten, deren Funktionsfähigkeit natürlich getestet werden muss. Dafür standen bisher hauptsächlich weniger empfindliche Sensoren auf chemischer Basis zur Verfügung, sagt Wulf Grählert. Das neue Gerät des Fraunhofer-Institutes verwendet nun erstmals einen Laserstrahl, um die wenigen Wasserdampfmoleküle zu zählen, die durch die Barriereschicht oder die Folie kommen.
"Der Laserstrahl, der hier genutzt wird, der hat eine bestimmt Intensität. Und wenn dann ein Wassermolekül in diesem Strahlengang ist, dann regt der Laser dieses Molekül an zu schwingen. Es wird Energie vom Laserstrahl auf dieses Molekül gebracht, und man hat dann eine Intensitätsänderung des Laserstrahls und das wird gemessen."
Dabei hat der Laserstrahl eine bestimmte Frequenz, die nur auf die Wasserdampfmoleküle reagiert. Für die Messung wird die Folie in eine tellergroße flache Messzelle aus Edelstahl gespannt, erklärt Harald Beese, der das Gerät maßgeblich mitentwickelt hat.
"Wir lösen hier diese Schraubverbindung, heben den oberen Teil der Messzelle ab, legen eine Folie ein und senken den oberen Teil wieder ab."
Dann wird die Kapsel so präpariert, dass für alle Messungen Standardbedingungen herrschen, unter anderem bei der Luftfeuchtigkeit. Der Laserstrahl befindet sich im unteren Teil der Messzelle, er wird mehrmals hin und hergeschickt und zählt dabei die Wassermoleküle, die die Folie passieren. Eine spezielle Software wertet dann die Ergebnisse am Computer aus. Für die Messungen brauchen die Wissenschaftler allerdings Geduld. Sie dauern Tage bis Wochen, je nachdem, wie durchlässig die Folien sind. Deshalb arbeitet man auch schon an einer Weiterentwicklung des Gerätes:
"Wir möchten gerne ein Messgerät mit mehreren Messkammern aufbauen. Ganz einfach um den Durchsatz zu erhöhen, wollen wir mehrere Messzellen nebeneinander haben. Und das ist mit dem optischen Prinzip sehr einfach möglich, weil wir einfach den Laserstrahl umlenken, damit sind wir schneller und flexibler."
Außerdem will man das Gerät noch empfindlicher machen, schließlich werden auch immer undurchlässigere Barrierefolien entwickelt, die es zu testen gilt. Doch auch der Prototyp stößt bei der Industrie schon auf Interesse, erste Firmen lassen bereits Testmessungen durchführen. Das Unternehmen, das die Technik für den Prototypen geliefert hat und an dessen Bau beteiligt war, will das Gerät noch in diesem Jahr auf den Markt bringen.