Quantensensoren sind hochpräzise Messgeräte, deren Funktionsweise auf Quanteneffekten basiert
Im Jahr 2022 wird das Volumen des globalen Marktes für QuantenSensoren überstiegen 278 Milliarden US-Dollar und dürften laut Analysten in den nächsten 10 Jahren um das Dreifache wachsen. Solche Geräte werden in der Automobilindustrie, im Gesundheitswesen, in der Industrie, in der Geologie, im Transportwesen, in der Computertechnik und in vielen anderen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise könnte ein von der Universität Birmingham entwickeltes Quantengravimeter Geologen dabei helfen, Öl- und andere Mineralvorkommen zu finden. Das Funktionsprinzip basiert auf "kalten" Atomen: Ihre Temperatur sinkt auf Werte nahe dem absoluten Nullpunkt, wodurch sie selbst subtile Änderungen der Schwerkraft aufzeichnen können. So können Sie gefährliche Hohlräume im Untergrund aufspüren, die zu einem Notfall im Bergwerk führen können. Künftig kann das Gravimeter im Bauwesen und zur Überwachung von Frachttransporten eingesetzt werden.
Aber der wirklich unschätzbare Beitrag von QuantenSensorik in die Medizin bringen kann. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit sind die Sensoren in der Lage, die ersten Signale der Krankheit zu erfassen, noch bevor sie von anderen diagnostischen Methoden „erkannt“ werden können. Und das Erkennen der Krankheit in einem frühen Stadium ist einer der wichtigsten Faktoren für eine erfolgreiche Behandlung.
Magnetische Signale
Einer der Hauptanwendungsbereiche von QuantenSensoren in der Medizin — Magnetoenzephalographie. Mit diesem Verfahren können Sie den Zustand des Gehirns untersuchen, indem Sie die Magnetfelder messen, die während seiner elektrischen Aktivität entstehen.
Modernste DiagnosemethodenErkrankungen des Gehirns werden nicht durch magnetische, sondern durch elektrische Komponenten erfasst – nach diesem Prinzip funktioniert beispielsweise die Elektroenzephalographie. Dieses Verfahren liefert jedoch keine vollständigen Informationen: Die Sensoren müssen das Signal durch den Schädel und das Gewebe erfassen, und der menschliche Körper ist ein schlechter Leiter elektrischer Felder.
Bei Magnetfeldern ist alles anders:Ein magnetisches Signal von einem Teil des Gehirns durchläuft das Gewebe in unverändertem Zustand, damit wir mehr Daten daraus gewinnen können. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Magnetfelder unseres Gehirns schwer zu erfassen sind, weil ihre Kraft extrem gering ist: 10 Milliarden Mal geringer als die der Erde. Dies erfordert sehr empfindliche Geräte wie Quantensensoren. Durch die Erfassung dieser kleinen Magnetfelder ermöglichen die Sensoren die Diagnose verschiedener Hirntumore, des Alzheimer-Syndroms oder der Epilepsie.
Der Beginn des epileptischen Prozesses beginnt also mitwinziger Bereich in der Großhirnrinde. Mit Hilfe von EEG und MRT ist es sehr schwierig, den Fokus zu finden, aber Quantensensoren sind einer solchen Aufgabe durchaus gewachsen. Dies ist besonders wichtig, wenn der Patient kurz vor einer Operation steht und es notwendig ist, den zu entfernenden Bereich so genau wie möglich zu finden.
Quantensensoren für UltrasensibleMagnetenzephalographen gibt es bereits, und im Jahr 2021 entwickelte das QLU-Team mit Wissenschaftlern von Skoltech und der National Research University Higher School of Economics seinen neuen Typ – das weltweit erste ultraempfindliche Festkörpermagnetometer, das bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Ein Jahr später zog QLU 33 Millionen Rubel an Investitionen an, um das System zu skalieren und den ersten Laborprototyp zu erstellen.
Adresszustellung
Ein weiterer Bereich der Medizin, wo sie könnennutzen Quantensensoren zur Diagnose und Therapie onkologischer Erkrankungen. QLU arbeitet derzeit gemeinsam mit dem Materiallabor von Gleb Sukhorukov an einer dieser Methoden. Das Labor stellt Mikrokapseln her – eine Art Behälter, der mit einem Medikament gefüllt und in den Blutkreislauf eingeführt werden kann. Aufgrund einer speziellen biologischen Beschichtung können sie in entzündlichen und onkologischen Bereichen lokalisiert werden. In diesen Behältern wollen wir magnetische Nanopartikel platzieren – dann wird es mit Hilfe von Quantensensoren möglich sein, zu sehen, wo diese Partikel lokalisiert sind, und so den Tumor frühzeitig zu identifizieren, was die Erfolgsaussichten deutlich erhöht der Krankheit. Sensoren haben ihre Wirksamkeit bei der Verfolgung magnetischer Partikel bereits unter Beweis gestellt: Kürzlich in QLU wurde erfolgreich an Labormäusen getestet, denen Nanopartikel injiziert wurden und deren Verteilung im Körper beobachtet werden konnte.
Diese Methode kann nicht nur für nützlich seinDiagnostik, aber auch in der Therapie. So entstehen in der Onkologie häufig Komplikationen durch die Folgen einer Chemotherapie, bei der sehr giftige Substanzen zum Einsatz kommen. Wenn Nanopartikel mit einer Kapsel verbunden sind, die ein Medikament enthält, kann dieses aus der Ferne in den Tumor injiziert werden. Wenn sich die Kapsel an den Krebszellen festsetzt, werden wir dies sehen, den Behälter mit fokussiertem Ultraschall oder Magnetfeld öffnen und dadurch das Medikament freisetzen. Auf diese Weise wird es gezielt an die Krebszellen abgegeben und wirkt dort gezielt, ohne den gesamten Körper zu vergiften.
Von der Rehabilitation bis zum Internet der Dinge
Das Potenzial der Quantensensorik umfasstenorme Einsatzmöglichkeiten. So können Quantensensoren bei der Rehabilitation von Patienten helfen, die einen Schlaganfall erlitten haben. Um die Funktionen zu kompensieren, für die die toten Bereiche der Großhirnrinde verantwortlich waren, beispielsweise die Fähigkeit, die Gliedmaßen zu kontrollieren, müssen neue Bereiche aktiviert werden. Und hier spielen hochempfindliche Sensoren eine große Rolle. Zum Beispiel stellt sich eine Person vor, dass sie ihren Arm bewegt, und zu diesem Zeitpunkt aktivieren wir das Glied mit einem speziellen Gerät. Das Gehirn beginnt, neue neuronale Verbindungen aufzubauen. Für die konventionelle Elektroenzephalographie ist dies eine sehr lange und schwierige Aufgabe, aber mit Quantensensoren wird es machbar. Und in Zukunft könnte die Verbindung zwischen Gehirnsignalen und Gliedmaßenbewegungen zur Steuerung von Prothesen genutzt werden.
Ein weiterer vielversprechender Bereich von QuantumSensorik - Überwachung biologischer Prozesse innerhalb der Zelle. Dazu müssen Sie einen Sensor in die Zelle selbst einführen. Aber um seine Arbeit nicht zu beeinträchtigen, muss der Sensor mikroskopisch klein sein, und einige Arten von Quantensensoren haben solche Abmessungen.
Außerhalb der Medizin können Quantensensoren ihre eigenen findenAnwendung im industriellen Internet der Dinge, in der neuen Generation von Navigationstechnologien, der Untersuchung von Prozessen in der Erdkruste, beispielsweise Erdbebenüberwachung, und in vielen anderen Bereichen.
Weiter lesen:
Auf einem Bauernhof wurde zufällig ein Schatz mit 1.000 Münzen gefunden: Was konnten sie kaufen?
Benannt nach einem Vitamin, das das Gehirn vor Demenz schützt
Es stellte sich heraus, welche Männer am fruchtbarsten sind: Ihr Sperma ist 50% besser als der Rest