Mikrodrohne mit Licht-Antrieb

Würzburg - Mit ihren vier Propellern lassen sich Flugdrohnen mühelos in alle Richtungen steuern. Für winzige, nur wenige Mikrometer große Objekte sind aber selbst die kleinsten Versionen dieser Motoren viel zu groß. Eine Alternative fand nun eine deutsche Arbeitsgruppe mit einem ausgeklügelten Licht-Antrieb. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, konnten kleine Mikrodrohnen mit zirkular polarisiertem Licht durch eine wässrige Flüssigkeit gesteuert werden. Damit könnten Mikrodrohnen in Zukunft etwa für den Zusammenbau von Nanostrukturen, für die Analyse von Oberflächen mit Nanometerpräzision oder im Bereich der reproduktiven Medizin genutzt werden.

Grundlage dieses Licht-Antriebs sind Wechselwirkungen von Lichtteilchen – Photonen – mit Materie. Bei der Streuung und Absorption von Photonen kann ein kleiner Impuls übertragen werden, der sehr leichte Objekte in Bewegung versetzt. Diesen Effekt nutzen bereits optische Pinzetten oder Photonensegel von Raumsonden, angetrieben vom Strahlungsdruck des Sonnenlichts. Die Arbeitsgruppe von Bert Hecht an der Universität Würzburg übertrug dieses Konzept nun auf eine dünne, nur wenige Mikrometer große Kunststoffscheibe. Auf diese Scheibe setzten die Physiker in mehreren Prozessschritten vier optische Antennen, die als einzelne Motoren wirkten – analog zu den Propellern einer Flugdrohne.

„Diese Motoren basieren auf optischen Antennen – also auf winzigen metallischen Strukturen mit Abmessungen im Bereich der Lichtwellenlänge“, sagt Postdoc Xiaofei Wu. Die Antennen wurden speziell für den Empfang von zirkular polarisiertem Licht optimiert. Dadurch können die Motoren unabhängig von der Orientierung der Drohne das Licht empfangen, was entscheidend für die Anwendbarkeit ist. In einem weiteren Schritt wird die empfangene Lichtenergie dann vom Lichtmotor in eine bestimmte Richtung abgestrahlt. Dadurch kann die Mikrodrohne in einer wässrigen Flüssigkeit gezielt angetrieben und gesteuert werden.

Mit Helium-Ionen strukturierten die Forscher ihre optischen Antennen aus hauchdünnen Goldflocken bis sie die gewünschten, für die Lichtstreuung optimierten Maße aufwiesen. Als Energiequelle diente Laserlicht mit zwei verschiedenen Wellenlängen von 830 und 980 Nanometern. Zudem waren die Lichtstrahlen zirkular polarisiert – der Drehsinn der Polarisation zeigte dabei entweder mit oder gegen den Uhrzeigersinn. Jeder Lichtmotor reagierte nun unterschiedliche auf die insgesamt vier möglichen Kombinationen aus Wellenlänge und zirkularer Polarisation. Damit ließ sich die Mikrodrohne in der Ebene entweder um die eigene Achse drehen oder in eine beliebige Richtung steuern.

In weiteren Versuchen wollen die Forscher durch weitere optische Antennen auch eine kontrollierte Steuerung im Raum ermöglichen. Dann hätte die Mikrodrohne die gleiche Manövrierfähigkeit wie die Flugdrohnen mit Propellerantrieb. Der Einsatz ist allerdings auf Wasser oder wässrige Flüssigkeiten beschränkt. Doch auch in diesem Medium locken mit der genauen Analyse von Oberflächen, als steuerbare Messsonde oder gar als Werkzeug zum Bau von Nanostrukturen zahlreiche Anwendungen.