Entwicklung einer modularen Software zur Simulation komplexer Laser‑Materie‑Wechselwirkungen für wehrtechnische Anwendungen: Unterschied zwischen den Versionen
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Aktuelle Version vom 11. Januar 2026, 10:35 Uhr
Entwicklung einer modularen Software zur Simulation komplexer Laser-Materie-Wechselwirkungen
Die Simulation der Wechselwirkung zwischen hochenergetischer Laserstrahlung und Materie ist von zentraler Bedeutung für die Bewertung und Entwicklung modernster Laserwaffen und verwandter Technologien. Insbesondere im Kontext wehrtechnischer Systeme erfordern die physikalischen Prozesse, die bei der Bestrahlung von Objekten mit Laserleistungen über 100 kW auftreten, hochpräzise, gekoppelte numerische Modelle, die Wärmeleitung, Phasenübergänge, Fluiddynamik und chemische Reaktionen abbilden können. Bestehende Simulationswerkzeuge stoßen hierbei oft an ihre Leistungsgrenzen. Um diese Lücke zu schließen, entwickelt das Fraunhofer EMI eine modulare Softwareumgebung, die modernste numerische Verfahren zur effizienten und genauen Simulation der Laser-Materie-Wechselwirkung nutzt.
Physikalische Grundlagen
Bei der Bestrahlung von Materialien mit Laserlicht hoher Leistung entstehen multiple, gekoppelte physikalische Effekte. Neben dem primären Energietransfer in Form von Wärmeleitung im Festkörper müssen auch Fluidströmungen nach Phasenübergängen (Schmelzen und Verdampfen) und chemische Reaktionen wie Oxidation modelliert werden, da sie die Eigenschaften der bestrahlten Materie entscheidend beeinflussen. Je nach Laserleistungsdichte kann es zu Materialabtrag (Ablation) oder lokalen thermischen Effekten kommen, die nichtlineares Materialverhalten hervorrufen.
Die Kopplung dieser Effekte über verschiedene Skalen stellt eine Herausforderung dar: Temperaturverteilung beeinflusst Materialdynamik und chemische Reaktionen, während die Entstehung von Dampf- oder Plasmawolken die Absorption und weitere Energiekopplung verändert. Dies führt zu nichtlinearen Rückkopplungen, die für konventionelle Software schwer zu behandeln sind.
Mathematische Modellierung und numerische Verfahren
Zur Beschreibung der physikalischen Prozesse werden partielle Differentialgleichungen (PDEs) verwendet, die Wärmeleitung, Fluiddynamik und Materialveränderungen abbilden. Traditionelle Methoden wie klassische Finite-Elemente- oder Finite-Volumen-Verfahren erreichen bei stark gekoppelten, nichtlinearen Prozessen oft nicht die nötige Effizienz oder Genauigkeit.
Das Fraunhofer EMI setzt auf das Discontinuous-Galerkin-Verfahren (DG), das Vorteile von Finite-Elemente- und Finite-Volumen-Verfahren kombiniert und adaptive Auflösungsanpassung sowie hohe Parallelisierbarkeit ermöglicht. Adaptive Netze und dynamische Rechengebiete erlauben es, Regionen mit hoher physikalischer Aktivität fein zu vernetzen, während in weniger kritischen Bereichen gröbere Netze verwendet werden. Dies reduziert die Gesamtzahl der Freiheitsgrade und erhöht die Rechenleistung.
Softwarearchitektur und Implementierung
Die Softwareumgebung zeichnet sich durch einen modularen Aufbau aus, der es erlaubt, physikalische Teilprozesse getrennt zu modellieren, zu koppeln und bei Bedarf auszublenden. Dies ermöglicht eine problemorientierte Modellbildung, bei der dominierende physikalische Prozesse priorisiert werden. Sowohl detaillierte Simulationen für präzise Analysezwecke als auch vereinfachte Modelle für schnelle Auslegungsrechnungen sind möglich.
Ein zentrales Ziel der Architektur ist die dynamische Auflösung der Rechengebiete, unterstützt durch das Discontinuous-Galerkin-Verfahren. Diese Flexibilität ist essenziell, um Prozesse mit stark variierenden Skalen effizient zu simulieren.
Anwendungen und Erweiterungen
Die Software wurde zunächst für wehrtechnische Anwendungen entwickelt, insbesondere zur Bewertung der Wirkung von Laserwaffen. Systeme mit Leistungen über 100 kW werden zur gezielten Materialbearbeitung oder als Energiestrahlwaffen eingesetzt, beispielsweise zur Abwehr unbemannter Luftfahrzeuge.
Darüber hinaus kann die Software thermische Strahlungsausbreitung in der erdnahen Atmosphäre simulieren, ein Szenario relevant für Freifeld-Laseranwendungen. Aktuelle Erweiterungen integrieren künstliche Intelligenz zur Prozessüberwachung oder zur datenbasierten Modellreduktion, um Simulationsmodelle weiter zu beschleunigen und adaptiver zu gestalten.
Zusammenfassung
Die am Fraunhofer EMI entwickelte Software stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Simulation komplexer Laser-Materie-Wechselwirkungen dar. Modulare Modellierungsansätze und moderne numerische Verfahren wie das Discontinuous-Galerkin-Verfahren erlauben eine effiziente und zuverlässige Abbildung gekoppelter physikalischer Prozesse. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung und Bewertung wehrtechnischer Laser-Systeme sowie für zivile Anwendungen in Materialbearbeitung, Prozessoptimierung und Sicherheitsanalysen. Insgesamt besitzt die Software ein hohes Potenzial, simulationsgestützte Forschung und Entwicklung in diesem anspruchsvollen Feld signifikant zu fördern.
Siehe auch
Wissenschaftliche Primärquellen
- Laser-Simulation für militärische Anwendungen | Fraunhofer EMI