Bosch setzt auf Diamanten
Wie Bosch mit Quantensensoren die Sensorik revolutioniert und die Basis für den Alltagseinsatz legt. Ein Interview mit Andre Kretschmann und Tino Fuchs.
Wie verwandelt man Rohdiamanten in funkelnde Juwele? Nicht nur durch Schleifen und Polieren, sondern auch durch innovative Technologien. Bosch setzt auf Diamanten – allerdings nicht im Schmuckkästchen, sondern in Quantensensoren. Diese versprechen eine Präzision, die bisher unerreicht war. Im Interview erklären Andre Kretschmann, Leiter des Bereichs Advanced Technologies and Micro Systems sowie Chief Expert Sensors and Technologies und Tino Fuchs, Senior Expert und Projektleiter für Quantensensoren bei Bosch Research, wie Bosch mit dieser Technologie die Sensorik revolutionieren, neue Märkte erschließen und die Basis für Quantensensoren im Alltag legen will.
Warum investiert Bosch in die Forschung an Quantensensoren?
Andre Kretschmann: Bosch ist Pionier und einer der weltweit führenden Zulieferer im Bereich Mikro-Electro-Mechanische Systeme (MEMS)-Sensoren. Quantensensoren eröffnen hier völlig neue Dimensionen, da sie Messungen mit einer Präzision ermöglichen, die weit über die Möglichkeiten herkömmlicher Sensoren hinausgeht. Sie sind in der Lage, kleinste Veränderungen in physikalischen Größen wie Magnetfeldern, Gravitation, Zeit, Temperatur und Druck zu erfassen. Die Anwendungsbereiche von Quantensensoren können äußerst vielfältig sein und sich über viele Industriezweige erstrecken.
Welche Industriezweige sind das?
Tino Fuchs: In der Medizin können wir etwa die Diagnostik – zum Beispiel Magnet-Resonanz-Tomographie, kurz MRT, oder Magnet-Elektro-Enzephalogramm, kurz MEG – deutlich verbessern. Auch die personalisierte Medizin wird davon profitieren, weil wir durch die elektrischen Ströme Defekte noch sensibler messen und eine personalisierte Therapie vorschlagen können.
Für die Navigation beim automatisierten Fahren entwickeln wir Systeme, die viel genauer sind und sogar unabhängig von Satelliten funktionieren. In der Prozesskontrolle geht es darum, industrielle Prozesse durch präzise Messungen zu optimieren. Selbst in den Geowissenschaften helfen uns diese Sensoren bei der Exploration von Bodenschätzen und könnten sogar die Vorhersage von Erdbeben und Vulkanausbrüchen revolutionieren!
Andre: Hinzu kommt: Die Entwicklung und Anwendung von Quantensensoren bietet ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial. Durch die Verknüpfung von Spitzenforschung mit den neuesten technologischen Entwicklungen im Bereich Sensorik kann Bosch sein Kerngeschäft ausbauen und gleichzeitig neue Märkte erschließen.
Was macht die Quantensensoren von Bosch so besonders und wie funktioniert die Technologie in einfachen Worten?
Tino: Quantensensoren nutzen gezielt Quantenphänomene, um physikalische Messgrößen mit einer bisher unerreichten Präzision zu erfassen. Sie können schwache Signale wie Gravitationswellen oder winzige Änderungen in Magnetfeldern detektieren und werden bereits in der Navigation, der wissenschaftlichen Forschung und der medizinischen Diagnostik eingesetzt. Bosch setzt dabei auf eine innovative Technologie mit Diamanten.
Spannend – aber was haben Diamanten mit Sensoren zu tun?
Tino: Damit aus einem Diamanten ein Sensor wird, müssen dazu sogenannte „Stickstoff-Fehlstellen-Zentren“ (engl.: Nitrogen Vacancy, kurz NV) im Diamantkristall künstlich erzeugt werden. Dabei wird ein Kohlenstoffatom im Gitterplatz durch ein Stickstoffatom ersetzt, während gleichzeitig ein benachbarter Gitterplatz unbesetzt bleibt. Und dann wird’s bunt: Wenn man mit einem grünen Laser den Diamanten bestrahlt, leuchtet dieser rot. Wenn man dann, vereinfacht gesagt, ein Magnetfeld auf den Diamanten einwirken lässt, ändert sich die Intensität des Rotlichtes. Diesen Effekt nutzen wir dazu, um kleinste Änderungen des Magnetfeldes zu bestimmen. Dadurch haben wir einen solch empfindlichen Diamantensensor geschaffen, dass wir Nervenströme oder Herzmuskelaktivitäten berührungslos messen können.
Welchen Beitrag leistete die Forschung zur Entwicklung und Industrialisierung dieser NV-Quantensensoren (Nitrogen Vacancy)?
Andre: Seit etwas über zehn Jahren untersucht ein hochkompetentes Forschungsteam unter der Leitung von Tino die Quantentechnologien, die sich in der Wissenschaft entwickeln, und prüft bewertet deren Eignung für eine skalierbare Industrialisierung. Seit 2017 prüfen wir diese Technologien auf ihre Eignung für Geschäftsfelder bei Bosch, wobei wir uns im Wesentlichen auf die NV-Technologie konzentriert haben.
In die Entwicklung von NV-Magnetometern sind wir als Forschungseinheit mit dem Ziel aktiv eingestiegen, große Laboraufbauten in miniaturisierte Prototypen zu überführen und gleichzeitig die Messgenauigkeit der Quantensensoren zu maximieren. Zudem haben wir über die Jahre hinweg ein enges Netzwerk zu führenden NV-Wissenschaftlern und Diamantherstellern aufgebaut. Die positiven und schnellen Fortschritte führten zur Gründung eines Bosch-internen Startups im Geschäftsbereich Bosch Mobility Electronics mit dem Ziel, die Industrialisierung von NV-Quantensensoren konsequent voranzutreiben.
Was waren die wichtigsten Meilensteine auf dem Weg von der ersten Forschungsidee zur Industrialisierung?
Andre: Das erste miniaturisierte NV-Magnetometer mit grüner LED als Lichtquelle konnten wir 2016 vorweisen. Allerdings war es zunächst nicht genauer als ein herkömmlicher Kompass. Nachdem wir erkannten, dass wir die NV-Zentren mit einer viel höheren Rate in angeregte Niveaus bringen müssen und wir dafür die LED durch eine Laserdiode ersetzen mussten, wurden unsere ersten Quantensensoren schlagartig eintausendfach empfindlicher. 2019 war es dann so weit: Die Geschäftsleiter von Bosch kamen nicht zu uns ins Labor, sondern der mittlerweile tragbare Sensor zur Vorstellung in deren Büro (lacht). Dies war ein toller Moment und trug wesentlich dazu bei, dass Bosch 2021 die Entscheidung traf, ein internes Startup zur Industrialisierung von Quantensensoren aufzubauen.
Welche wirtschaftliche Bedeutung hatte diese Gründung?
Andre: Damit sichern wir unseren wirtschaftlichen Erfolg ab, indem wir eine solide Basis an geistigem Eigentum zu dem Thema schaffen – „Intellectual Property“ auf Englisch. Der letzte große technische Durchbruch liegt noch gar nicht lange zurück: Im Februar 2025 gelang es uns, im Labor einen globalen Empfindlichkeitsrekord aufzustellen. Wir können jetzt Änderungen im Magnetfeld messen, die 100 Millionen Mal kleiner sind als das Erdmagnetfeld (stolz).
Wie plant Bosch, diese Technologien zu industrialisieren und in den breiten Markt zu bringen? Welche Rolle spielte und spielt Bosch Research dabei?
Andre: Wie bereits erwähnt, wurde für das neue Technologie- und Geschäftsfeld „Quantensensorik“ eine eigene Organisationseinheit in Form des Startups „Bosch Quantum Sensing“ gegründet, um die schnelle und erfolgreiche Industrialisierung von NV-Quantensensoren voranzutreiben.
Damit das Startup schnell handlungsfähig wurde, haben erfahrene Forschungsmitarbeiterinnen und -mitarbeiter das Team der Bosch-Tochtergesellschaft mit fachlicher Expertise unterstützt. Mit der Gründung des Gemeinschaftsunternehmens Bosch Quantum Sensing mit Element Six, einem weltweit führenden Diamanthersteller, wird die Industrialisierung der Quantensensorik aktiv mitgestaltet und die Technologie zu einem Geschäftserfolg gemacht. So stellen wir sicher, dass das Know-how von Bosch Research auch bei der Industrialisierung eine zentrale Rolle spielt.
Warum forscht Bosch weiterhin an diesem Thema, obwohl es bereits eine Ausgründung gibt?
Tino: Trotz des großen Potenzials gibt es weiterhin Herausforderungen bei der Entwicklung und Implementierung von Quantensensoren. Zum einen bestehen noch technologische Hürden, da die Herstellung und Steuerung von Quantensystemen komplex ist und spezielle Technologien erfordert. Zum anderen müssen NV-Magnetometer gegenüber Umwelteinflüssen, wie Temperatur oder Vibrationen stabil und robust gemacht werden. Hier arbeiten wir an Quantenmessprotokollen, die uns ermöglichen, diese Einflüsse nahezu vollständig zu kompensieren. Auch das Empfindlichkeitspotential von NV-Sensoren ist noch lange nicht ausgeschöpft. Theoretisch kann die Nachweisgrenze als Magnetometer um weitere zwei Größenordnungen verbessert werden.
Was ist der nächste Schritt im Bereich der Quantensensorik?
Andre: Aktuell forschen wir an einem weiteren, vielversprechenden Thema: sogenannte funktionalisierte Nanodiamanten mit NV-Zentren. Mit ihrer Hilfe lassen sich unter anderem freie Radikale, also reaktive Moleküle, die Krebs auslösen können, im Blut nachweisen.
Mit unseren Diamanten-Sensoren können wir aber nicht nur im Medizinbereich wirken, sondern auch beim hochautomatisierten Fahren. Fährt ein Fahrzeug in einem Umfeld, bei dem weder Kamera- noch Radarsensoren sicher zum Tragen kommen, so zum Beispiel bei Dunkelheit oder Vereisung, können unsere Sensoren Abhilfe schaffen: Sie können die Rotation eines Objektes, ausgedrückt mit der sogenannten Drehrate (Grad pro Sekunde), sehr genau bestimmen. Darauf basierend können wir steuern, ob das Auto geradeaus, in einer engen oder weiten Kurve fahren soll oder feststellen, ob es vom Kurs abweicht. Diese sogenannten Quanten-Gyroskope haben also für Bosch das Potenzial, Anwendungen und Märkte zu erschließen – das gilt für Automotive ebenso wie für Satelliten im All, bei denen eine ultimative Navigationsgenauigkeit erforderlich ist.