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Wie Theorie und Berechnungen helfen, konkrete Anwendungen zu verbessern, zeigen die beiden Doktorarbeiten von Dr. Frederik Schmidt und Dr. Dustin Jantos von der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Frederik Schmidt hat die Grundlagen bestimmter Plasmen betrachtet und ein Netzwerk entwickelt, Plasmen mit weniger Aufwand und Energieverlust zu nutzen. Dustin Jantos hat optimale Geometrie und Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen berechnet. Beide Arbeiten wurden am 26. Juni 2020 mit dem Gebrüder-Eickhoff-Preis ausgezeichnet.

Spezialwissen um Plasmen zusammengeführt

Technische Plasmen gehören zu den Dingen, die die Welt um uns herum maßgeblich beeinflussen, ohne dass viele davon wissen. „Man kann zum Beispiel Oberflächen mit Plasmen bearbeiten; entscheidend aber sind sie in der Herstellung moderner Computerchips, die in fast allen modernen technischen Geräten verbaut sind – vom Auto bis zum Smartphone“, verdeutlicht Frederik Schmidt. „Ein besseres Verständnis dieser Technik führt zu Innovationen, die unser Leben erleichtern, Menschen vernetzen und unsere Zukunft prägen.“

Dr. Frederik Schmidt (rechts) mit Prof. Dr. Thomas Musch, Dekan der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, bei der Preisverleihung

© RUB, Marquard

In seiner Dissertation hat er untersucht, wie die Energie in ein Plasma gelangt. Der Weg von der Steckdose zu nanometergroßen Halbleiterbahnen wird von verschiedenen Spezialisten untersucht und ist teils gut verstanden. Frederik Schmidt hat zwei dieser Spezialgebiete zusammengeführt: das elektrische Netzwerk zwischen Steckdose und Plasma zum einen, und detaillierte Plasmasimulationen zum anderen. Das erlaubt es, den Zusammenhang zwischen beiden zu untersuchen. „Ich habe beispielsweise betrachtet, auf welchen Wegen die Energie fließt und wie viel auf dem Weg ins Plasma verloren geht. Das ist teilweise eine ganze Menge“, so der Forscher. Die Ergebnisse helfen, Anlagen und Aufbauten effizient zu gestalten und so sparsamer und ökologischer zu machen. Darüber hinaus hat er ein eigenes elektrisches Netzwerk entwickelt, das für bestimmte Anwendungen mit deutlich weniger Aufwand und Verlusten umgesetzt werden kann als bisher. „Ich konnte theoretisch zeigen, dass das funktioniert. Kollegen in Frankreich konnten dann in Experimenten nachweisen, dass es auch praktisch möglich ist, so etwas zu bauen", sagt Schmidt.

Widerstandskraft mit möglichst wenig Materialeinsatz

Dustin Jantos hat in seiner Doktorarbeit Computermodelle entwickelt, die mechanisch belastete Strukturen automatisch optimieren. Dabei betrachtet das Modell die Topologie der Struktur, also die vollständige Geometrie sowie lokale Materialeigenschaften, wie zum Beispiel die Ausrichtung von Fasern in Faserverbundwerkstoffen. „Eine optimale Struktur ist zum Beispiel diejenige, die bei vorgegebenen Ressourcen, wie ewa eine begrenzte Materialmenge, die maximale Steifigkeit aufweist“, erklärt Jantos.

Dr. Dustin Jantos (links) mit Prof. Dr. Marcus Petermann, Dekan der Fakultät für Maschinenbau, bei der Preisverleihung

© RUB, Marquard

Das Innovative an der Arbeit sind die physikalische Herangehensweise an die Optimierung sowie die numerischen Methoden darin: Üblicherweise werden in der Optimierung verallgemeinerte mathematische Lösungsverfahren und sogenannte Filtertechniken angewandt, die nicht immer perfekt auf das mechanische Problem zugeschnitten sind. Dustin Jantos hat die Optimierung direkt mit den Methoden aus der Materialmodellierung gelöst, also mit Methoden, die üblicherweise zum Einsatz kommen, um komplexe physikalische und mikrostrukturelle Prozesse in Werkstoffen nachzubilden oder vorherzusagen, und die im Einklang mit den Hauptsätzen der Thermodynamik stehen. Damit konnte er ein speziell auf die Strukturoptimierung zugeschnittenes, physikalisch plausibles und damit sehr effizientes und schnelles Programm entwickeln. Zudem entwickelte er damit auch Optimierungsmethoden für komplexere Materialien wie Stahlbeton und Faserverbundwerkstoffe.