Jena / 12. August 2024
3D-Vermessung ohne Risiko
Projekt 3D-Vens entwickelt explosionsgeschütztes Endoskop für die Vermessung von Wasserstofftanks
Das Projekt »3D-Vermessung durch explosionsgeschützte Endoskopie mit strukturierter Beleuchtung«, kurz 3D-Vens, hat es sich zum Ziel gesetzt, einen endoskopischen Sensor für den Einsatz in hochsensiblen Umgebungen – wie zum Beispiel Wasserstofftanks und Pipelines – zu entwickeln, bei dem gänzlich auf elektronische Bauteile im Messkopf verzichtet werden kann. Das Projekt wird über die kommenden drei Jahre mit knapp drei Millionen Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
Wasserstoff gilt als ein wichtiger Energieträger der Zukunft und könnte eine zentrale Rolle auf dem Weg unserer Gesellschaft in die Klimaneutralität spielen. Die sichere und effiziente Wartung von Wasserstoffinfrastruktur ist dabei essenziell, um Systeme in die Anwendung zu überführen. Zur Qualitätskontrolle von Tanks und Leitungen im industriellen Maßstab werden normalerweise kommerzielle Endoskope eingesetzt, die mittels einer Kamera das Innere der Objekte in 2D oder 3D abbilden können.
Bei der Wartung von Wasserstofftanks und -leitungen liegt jedoch genau hier die Herausforderung: Wasserstoff ist in Verbindung mit Luft ein leichtentzündliches, hochexplosives Gemisch und stellt daher ein Sicherheitsrisiko dar, wenn herkömmliche Endoskope mit elektronischen Bauteilen im Messkopf verwendet werden. Ein Team bestehend aus Forschenden und Vertretern der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie drei Wirtschaftsunternehmen möchte die Vermessung in derart sensiblen Umgebungen weiterentwickeln und sicherer machen.
Sichere Messung von Wasserstofftanks
Forschende der Universität Jena mit einem Versuchsaufbau aus einem Vorläuferprojekt. Die darin gewonnene Expertise fließt in »3D-Vens« ein.
Im Projekt »3D-Vermessung durch explosionsgeschützte Endoskopie mit strukturierter Beleuchtung«, kurz 3D-Vens, wollen die Konsortialpartner nun ein explosionsgeschütztes Sensoriksystem zur 3D-Vermessung entwickeln, das ganz ohne elektronische Bauteile im Messkopf, welcher mit dem Wasserstoff in Berührung kommt, auskommt.
Bisher werden bei kommerziellen Endoskopen für die Berechnung einer 3D-Abbildung durch sogenannte Triangulation zwei Kameras und mindestens ein weiterer Beleuchtungskanal benötigt. Der explosionsgeschützte Ansatz der 3D-Vens Forschenden nutzt dagegen nur eine Kamera außerhalb des Messobjektes an einem Ende des Endoskops und mehrere Lichtquellen im Messkopf, um die 3D-Informationen aufzuzeichnen und zu berechnen.
Neues Messsystem ohne elektronische Bauteile
Visualisierung des Messprinzips
Das zu entwickelnde optische System verwendet Licht und Multikernfasern – Bündel aus bis zu 24 einzelnen Fasern – zur Bilderzeugung. Am Ende der Multikernfaser befinden sich spezielle Linsen und Projektionsoptiken, die mittels strukturierter Beleuchtung ein gleichmäßiges, wiederholbares Muster erzeugen. Das von dem zu vermessenden Objekt reflektierte Licht wird durch Miniaturoptiken eingefangen und in ein Bildgebungsfaserbündel geleitet, welches das Lichtmuster an einen Detektor, z.B. eine Kamera außerhalb des Wasserstofftanks überträgt. So lassen sich bis zu 100 Mikrometer kleine Details in 3D und Echtzeit auflösen.
Das Fraunhofer IOF bringt seine Expertisen aus den Feldern Optik- und Systemdesign sowie der Simulation von diffraktiven und refraktiven Mikrooptiken in das Vorhaben ein. Die Forschenden des Instituts sind dabei maßgeblich an der Entwicklung der optischen Spezialfasern, den Multikernfasern und mikrooptisch strukturierten Komponenten beteiligt. Dies umfasst auch die Optikintegration, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie das Design hybrider Projektionsoptiken in enger Zusammenarbeit mit den weiteren Projektpartnern.
Erschließung neuer Wartungsszenarien
Dank der explosionsgeschützten Endoskopie können künftig neue Messvolumina erschlossen werden. Die entwickelte Methode könnte damit in einer Reihe riskanter Mess- und Wartungsszenarien zum Einsatz kommen. Dabei sind neben Messungen explosionsgefährdeter Stoffe auch solche unter erschwerten Bedingungen, wie starkem Druck oder Extremtemperaturen denkbar. Die vorgestellte Technologie ist robuster gegenüber Kabelverformungen im Endoskop und deutlich kleiner als bisherige Systeme. Dies öffnet neue Anwendungsgebiete, z.B. für Musterprojektion, 3D-Vermessung spezieller Rohre oder die translationale Endo-Mikroskopie für Industrie und Medizin.
Die Partner im Projekt
Koordiniert wird 3D-Vens durch die ITConcepts GmbH sowie durch das Institut für Angewandte Optik und Biophysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Neben dem Fraunhofer IOF sind außerdem die Unternehmen GRINTECH GmbH und INGENERIC GmbH am Projekt beteiligt. Das Vorhaben wird bis 2027 durch das BMBF mit knapp drei Millionen Euro gefördert.