Das autonome Fahren ist eine der technologischen Visionen unserer Zeit. Während aktuelle Systeme bereits beeindruckende Leistungen in der Umgebungserfassung erzielen, stoßen sie bei extremen Wetterbedingungen oder komplexen Verkehrssituationen oft an ihre Grenzen. Eine vielversprechende Technologie, die einige dieser Herausforderungen lösen könnte, ist die Quantensensorik. Sie könnte insbesondere die Navigation, Eigenlokalisierung und Bewegungsmessung autonomer Fahrzeuge verbessern.
Was ist Quantensensorik?
Quantensensoren nutzen gezielt quantenmechanische Eigenschaften von Atomen, Elektronen oder Licht, um physikalische Größen besonders empfindlich zu messen. Je nach Sensortyp werden beispielsweise Elektronenspins in Diamanten, Atominterferometrie oder quantenoptische Verfahren eingesetzt. Für Fahrzeuge könnten solche Sensoren vor allem Bewegungen, Beschleunigungen, Rotationen, Magnetfelder und Positionsänderungen besonders präzise erfassen. Eine wichtige Bauform nutzt sogenannte NV-Zentren in Diamanten, bei denen gezielt Stickstoffatome und Fehlstellen im Kristallgitter erzeugt werden.
Warum klassische Sensoren an ihre Grenzen stoßen
Lidar, Radar und Kameras bilden heute das Rückgrat der Sensorfusion. Doch jedes System hat seine Schwachstellen. Kameras leiden bei starkem Regen oder Nebel. Radar ist präzise bei der Distanzmessung, aber oft weniger detailliert bei der Objekterkennung. Lidar erzeugt zwar exakte 3D-Karten, ist jedoch komplex und teuer in der Integration. Quantensensoren könnten bestehende Systeme ergänzen, indem sie bestimmte physikalische Größen unabhängig von sichtbarem Licht besonders präzise messen.
Quantensensorik im Auto: Präzisere Orientierung und mehr Sicherheit
Quantensensoren könnten langfristig zur Sicherheit autonomer Fahrzeuge beitragen, indem sie besonders präzise Daten über Bewegung, Lage und Position liefern. Sie erfassen selbst kleinste Veränderungen bei Bewegung, Beschleunigung, Magnetfeldern oder der Erdanziehungskraft und liefern für bestimmte physikalische Größen besonders präzise Messdaten.
Für euch als Insassen könnte das bedeuten, dass das Fahrzeug seine Position und Bewegungsrichtung auch bei schwachem oder fehlendem GPS-Signal zuverlässiger bestimmt. Navigations- und Assistenzsysteme erhielten dadurch präzisere Eingangsdaten. Dadurch könnten Navigations- und Assistenzsysteme verlässlichere Eingangsdaten erhalten. Damit solche hochpräzisen Messdaten im Fahrzeug schnell ausgewertet werden können, dürfte auch die lokale Datenverarbeitung durch Edge AI und Offline-KI eine wichtige Rolle spielen.
Besonders interessant ist die Quantensensorik für die Navigation. Moderne Fahrzeuge sind dabei häufig auf GPS-Signale angewiesen, die in Tunneln, Tiefgaragen, Häuserschluchten oder abgelegenen Regionen ungenau sein oder vollständig ausfallen können. Quantenbasierte Trägheits- und Gravitationssensoren könnten die Fahrzeugposition auch ohne dauerhaftes GPS-Signal über einen gewissen Zeitraum weiterberechnen. Dafür erfassen sie unter anderem kleinste Bewegungen sowie minimale Unterschiede im Erdschwerefeld. Dass quantenbasierte Navigation grundsätzlich außerhalb des Labors funktionieren kann, zeigen bereits Flugversuche mit satellitenunabhängigen Quantennavigationssystemen.
GPS würde dadurch voraussichtlich nicht vollständig überflüssig, könnte aber durch ein zusätzliches, besonders zuverlässiges Navigationssystem ergänzt werden. Autonome Fahrzeuge könnten ihre Position damit auch dort zuverlässiger bestimmen, wo herkömmliche Ortungssysteme an ihre Grenzen stoßen.
Spannende Anwendungsmöglichkeiten der Quantensensorik
- Präzisere Eigenlokalisierung: Quantensensoren könnten Bewegungen, Lageänderungen und Magnetfelder besonders genau erfassen. Dadurch ließe sich die Position eines Fahrzeugs auch bei schwachem oder gestörtem Satellitensignal zuverlässiger bestimmen.
- Unabhängige Navigation: Hohe Präzision bei der Positionsbestimmung, selbst ohne Satellitensignale.
- Stabilere Navigationsdaten: Besonders präzise Messwerte könnten Fahrzeugsystemen helfen, Bewegungen und Positionsänderungen zuverlässiger zu berechnen.
Bis zum Einsatz in Serienfahrzeugen ist es noch ein weiter Weg
So vielversprechend die Quantensensorik auch ist: Für den flächendeckenden Einsatz in Autos müssen noch einige technische und wirtschaftliche Hürden überwunden werden. Viele Systeme benötigen derzeit komplexe Laser, empfindliche Messeinheiten und teilweise aufwendige Vakuumtechnik. Diese Komponenten müssen deutlich kleiner, robuster und unempfindlicher gegenüber Erschütterungen sowie Temperaturschwankungen werden, bevor sie zuverlässig in einem Serienfahrzeug funktionieren können.
Hinzu kommen die momentan noch hohen Produktionskosten. Für den Einsatz in einem Fahrzeug müssen Quantensensoren nicht nur präzise arbeiten, sondern sich auch in großer Stückzahl zu wirtschaftlich vertretbaren Preisen herstellen lassen.
Erste Prototypen und Forschungsprojekte zeigen jedoch, dass der Schritt aus dem Labor in die praktische Anwendung grundsätzlich möglich ist. Bis Quantensensoren zur normalen Ausstattung von Fahrzeugen gehören, dürfte es allerdings noch dauern. Wahrscheinlich werden sie zunächst in spezialisierten Bereichen und besonders hochwertigen Fahrzeugen zum Einsatz kommen, bevor die Technologie für den Massenmarkt interessant wird.
Bosch treibt die Entwicklung der Quantensensorik voran
Das deutsche Technologieunternehmen Bosch treibt die Entwicklung der Quantensensorik intensiv voran. Dabei profitiert der Konzern von seiner jahrzehntelangen Erfahrung in der Entwicklung und industriellen Fertigung hochpräziser Sensoren. Besonders das umfangreiche Know-how im Bereich kompakter MEMS-Sensoren verschafft Bosch eine gute Ausgangsposition, um Quantensensoren langfristig kleiner, robuster und kostengünstiger zu machen.
Bosch forscht unter anderem an diamantbasierten Quantensensoren, die selbst äußerst schwache Magnetfelder erfassen können. Ziel ist es, die bislang sehr aufwendige Technologie aus dem Labor in praktische Anwendungen zu überführen. Mögliche Einsatzbereiche sieht das Unternehmen unter anderem in der Medizin, der Industrie und perspektivisch auch in der Mobilität.
Für Autos könnte diese Entwicklung besonders interessant werden. Quantensensoren könnten künftig die Navigation verbessern, Bewegungen genauer erfassen und bestehende Systeme wie GPS, Radar, Lidar und Kameras ergänzen. Stand heute befindet sich die Technologie allerdings überwiegend in der Forschungs- und Entwicklungsphase.
Wann Quantensensorik für euch im Auto relevant wird
Die Quantensensorik befindet sich derzeit an der Schwelle zwischen Forschung und industrieller Anwendung. Viele Technologien werden bereits außerhalb des Labors erprobt, müssen für den Einsatz im Auto jedoch noch kompakter, robuster und kostengünstiger werden.
In den kommenden Jahren dürften entsprechende Systeme deshalb zunächst in Forschungsfahrzeugen, spezialisierten Anwendungen und möglicherweise in hochpreisigen Modellen zum Einsatz kommen. Dabei werden nicht sofort vollständige Quantensensor-Systeme zur Standardausstattung gehören. Wahrscheinlicher ist, dass einzelne quantenbasierte Komponenten schrittweise in bestehende Navigations- und Assistenzsysteme integriert werden.
Im Alltag könnte sich das zunächst durch eine präzisere Fahrzeugortung, zuverlässigere Navigation bei schlechtem oder fehlendem GPS-Empfang und leistungsfähigere Assistenzsysteme bemerkbar machen. Wann Quantensensoren schließlich in gewöhnlichen Serienfahrzeugen ankommen, lässt sich heute noch nicht zuverlässig vorhersagen. Die ersten praktischen Anwendungen rücken jedoch zunehmend näher. Autonome Fahrzeuge werden bereits heute in begrenzten Einsatzbereichen erprobt. Ein Beispiel dafür ist der autonome Bus in Monheim am Rhein.
Häufige Fragen zur Quantensensorik im Auto
Quantensensoren könnten langfristig zur Sicherheit beitragen, indem sie besonders präzise Daten über Bewegung, Lage und Position des Fahrzeugs liefern. Ob und in welchem Umfang dadurch tatsächlich weniger Unfälle entstehen, lässt sich derzeit noch nicht belastbar beurteilen.
Nein, ein allgemeiner Vergleich ist nicht sinnvoll. Lidar erfasst die Umgebung optisch und erstellt räumliche Abstandsinformationen. Quantensensoren können dagegen unter anderem Bewegung, Rotation, Gravitation oder Magnetfelder besonders präzise messen. Im Fahrzeug könnten beide Technologien unterschiedliche Aufgaben übernehmen und sich ergänzen.
Wann Quantensensoren in Serienfahrzeugen eingesetzt werden, ist derzeit nicht verlässlich absehbar. Wahrscheinlich werden erste Anwendungen zunächst in spezialisierten Navigationssystemen, Forschungsfahrzeugen oder besonders anspruchsvollen Mobilitätsbereichen erprobt.
Ja, denn quantenbasierte Trägheits- und Gravitationssensoren könnten die Position eines Fahrzeugs auch dann sehr präzise bestimmen, wenn kein zuverlässiges GPS-Signal verfügbar ist. Das wäre beispielsweise in Tunneln, Tiefgaragen oder zwischen hohen Gebäuden von Vorteil.
Da bestimmte Quantensensoren nicht auf sichtbares Licht angewiesen sind, könnten sie auch bei Dunkelheit oder eingeschränkter Sicht Messdaten über Bewegung, Rotation oder Magnetfelder liefern. Für die direkte Erkennung von Hindernissen wären weiterhin Kamera, Radar oder Lidar erforderlich.
Nein, voraussichtlich nicht, denn Quantensensoren werden wahrscheinlich gemeinsam mit Kameras, Radar, Lidar und Ultraschallsensoren eingesetzt. Durch die Kombination verschiedener Messverfahren kann das Fahrzeug seine Umgebung zuverlässiger erfassen und Fehler einzelner Systeme besser ausgleichen.
Nein, aktuell noch nicht. Bosch erforscht und entwickelt Quantensensoren derzeit vor allem für mögliche Anwendungen in der Medizin, Industrie und Mobilität. Für den Einsatz in Serienfahrzeugen müssen die Systeme zunächst noch kleiner, robuster und kostengünstiger werden. Die langjährige Erfahrung von Bosch mit Fahrzeug- und MEMS-Sensoren könnte jedoch dabei helfen, die Technologie künftig für den Automobilbereich nutzbar zu machen.
Weitere Beiträge über neue Technologien findet ihr in unserer Kategorie Zukunftstechnologien.
Quellen und weiterführende Informationen
Bosch: Quantum sensors with diamonds
Fraunhofer: Quantensensorik und NV-Zentren in Diamant
Fraunhofer IAF: Quantensensorik und Quantenmagnetometer
UK Government: Erprobung quantenbasierter Navigation
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