Unsere Vision: Quantensensorik für alle

Sensoren begegnen uns überall im Alltag und haben an vielen Stellen Einzug in unsere Leben erhalten. Moderne Sensoren, die auf Quantentechnologien basieren, erlauben Messungen mit ungeahnter Präzision am physikalischen Limit und ermöglichen so Zugänge zu bisher unbekannten Gebieten. Quantentechnologie ist zwar hoch funktional, aber sie ist vor allem eines: Teuer! Ein Grund dafür ist, dass Diamanten als Hauptspeicher von Quanten verwendet werden. Der Großteil der Bevölkerung hat daher bisher keine direkten Berührungspunkte mit Quantentechnologie wie der Quantensensorik, es bleibt ein abstraktes und komplexes Phänomen. Das wollen wir ändern: Mit kostengünstiger Hardware und didaktischem Material als Open Educational Resources (OER) möchten wir durch einen niedrigschwelligen Zugang breite Bevölkerungsschichten für die Quantentechnologien sensibilisieren und begeistern.

Entwicklung des QOOOL-Kits

Im Rahmen des Projekts QOOOL Sensing soll ein robuster Magnetfeldsensor entwickelt werden, der für unterschiedliche Zielgruppen einen niederschwelligen Zugang zur Quantensensorik ermöglicht. Der Sensor basiert auf gezielt eingebrachten Defekten in Diamanten und erlaubt eine hochgenaue Messung von Magnetfeldern. Dadurch soll erstmalig ein kompaktes und kostengünstiges NV-Quantenmagnetometer (NV=Nitrogen-Vacancy) in Form eines Sensorik-Kits (QOOOL Kit) für Bildungszwecke, insbesondere im MINT-Bereich, entwickelt werden. Ein integriertes NV-Magnetometer in Form einer miniaturisierten Sensorzelle wird dann dazu genutzt, Magnetfeldmessungen durchzuführen und diese Beobachtungen als Open Data im Web bereitzustellen. Die einzelnen Komponenten des Kits werden so gestaltet, dass die Teilfunktionen nachvollziehbar sind und ihr Einfluss auf die Gesamtfunktion des Sensors, z.B. durch Konfigurationsoptionen, praktisch erfahrbar ist. Durch die Anbindung an die senseBox als Mikrocontroller zur Untersuchung von Umweltphänomenen entsteht ein Rund-um-Paket mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten.

Didaktische Konzepte

Neben dem Aufbau des QOOOL-Kits entstehen praktische und interaktive Lehrmaterialien, die die Nutzung des Sensors im Unterricht, Studium, aber auch ganz allgemein für eine breite Öffentlichkeit aufzeigen. Die (medien-)didaktisch reduzierte Aufarbeitung des QOOOL Kits sowie die Anbindung an die senseBox wird durch eine interaktive Web-Anwendung, eine Online-Lehrerfortbildung und weitere Outreach-Aktivitäten, wie Makeathons, Hackathons, Workshops etc. umgesetzt. Projektideen, Experimentieranleitungen sowie didaktisches Unterrichtsmaterial für den MINT-Bereich werden unterstützend als OER bereitgestellt. So soll ein breiter Einsatz für die Bereiche der Digitalen Bildung sowie in den Bürgerwissenschaften geschaffen und durch die gemeinschaftliche Entwicklung von weiteren Bildungsmaterialien ein Netzwerk mit einer kreativen Community aufgebaut werden.

Simulator

Die webbasierte Anwendung soll an die visuelle Programmierumgebung „Blockly für senseBox“ angebunden sein und Programmcodes nicht nur an die senseBox-Hardware, sondern auch an einen Simulator übertragbar machen. In einer visuellen Simulation als grafische Darstellung des QOOOL-Kits und des senseBox-Microcontrollers kann die Funktionsweise und die Umsetzung des Programmcodes visuell ansprechend und nachvollziehbar dargestellt werden. Mit der interaktiven Lernsoftware sollen die o.g. Funktionsweise und der Aufbau eines NV-Magnetometers als Quantensensor sowie das Zusammenspiel aus dessen Einzelkomponenten anschaulich erklärt werden.