Faszination und Wunder der Technik. Werner Dupont
des eigentlichen Absorbers erfolgen kann. Ein grundsätzlich anderer Ansatz zur Lösung des Problems beruht auf der Vorstellung, die DK des Matrixmaterials durch Dotierung mit Teilchen, die eine sehr kleine DK aufweisen, zu minimieren.
Um zu einer Abschätzung des Reflexionsvermögens eines mit kleinen metallischen Teilchen dotierten Materials zu gelangen, wird eine Schichtstruktur betrachtet, die als Approximation der oben diskutierten Gradientenstruktur dient. Hierzu sei auf die zu tarnende Metalloberfläche eine Anzahl n aufgebracht, die durch die folgenden Parameter charakterisiert sind: Dicke der jeweiligen Schicht, DK der für alle Schichten gleichen Matrix, DK der Metallteilchen der jeweiligen Schicht. Füllfaktor der Metallteilchen der jeweiligen Schicht, DK der für alle Schichten gleichen halbleitenden Teilchen und Füllfaktor der halbleitenden Teilchen der jeweiligen Schicht. Aus diesen Parametern lässt sich für jede Schicht die DK des effektiven Mediums bestimmen und hieraus wiederum das Reflexionsvermögen und die Absorption der einzelnen Schichten innerhalb einer vorgegebenen Struktur.
Die weitere Aufgabe besteht nun darin, aus der Menge der aufgeführten Parameter den Parametersatz zu ermitteln, der für eine vorgegebene Gesamtschichtdicke das minimale Reflexionsvermögen liefert. Um diese äußerst komplexe Aufgabenstellung des Auffindens dieses Minimums in dem hochdimensionalen Parameterraum effizient zu lösen, wurde eine aus dem Bereich der Bionik stammende evolutionsstrategische Methode angewendet, die im konkreten Fall wie folgt charakterisiert ist:
1. Start mit einem beliebigen Parametersatz, für den das zugehörige Reflexionsvermögen berechnet wird
2. Auswürfeln von Veränderungen der Werte des Parametersatzes innerhalb eines vorgegebenen Bereichs (Mutation) und Berechnung des zu den neuen Werten zugehörigen Reflexionsvermögens
3. Auswahl des zum kleineren Reflexionsvermögen gehörigen Parametersatzes (Selektion) für erneutes Erzeugen zufälliger Veränderungen der Parameter
4. Fortsetzung des Verfahrens, bis eine weitere Verkleinerung des Reflexionskoeffizienten nicht mehr zu erwarten ist
Bei der Anwendung des geschilderten Verfahrens muss beachtet werden, dass nicht zwangsläufig das globale Minimum des Reflexionskoeffizienten ermittelt wird, sondern eventuell nur ein lokales Minimum. Um dies weitestgehend zu verhindern, ist es wichtig, das Mutationsfenster, das heißt denn Bereich, in dem die Änderungen zu einem bestimmten Parametersatz ausgewürfelt werden, hinreichend groß zu wählen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten großer (allerdings seltener) Mutationen, die zum Verlassen eines lokalen Minimums führen. Neben der Festlegung des Mutationsfensters ist das Selektionsprinzip von zentraler Bedeutung. Bei dem oben beschriebenen Verfahren würde der durch Mutation entstandene Parametersatz grundsätzlich für weitere Mutationen ausgewählt, sofern er den niedrigeren Reflexionskoeffizienten liefert. Hierdurch kann jedoch eine Entwicklung verhindert werden, bei der sich aus einem zunächst ungünstigen Parametersatz nach einer Vielzahl von Schritten schließlich bessere Werte für den Reflexionskoeffizienten ergeben, als sie mit dem selektiven Parametersatz möglich sind (insbesondere durch langsame Konvergenz in ein tieferes oder das globale Minimum).
Aus diesem Grund wird folgende Modifikation der Strategie verwendet. Beim Start wählt man nicht nur einen, sondern mehrere beliebige Parametersätze (x Stück). Für jede dieser x Spezies werden x Mutationen ausgewürfelt. Aus den dann vorliegenden x·(x+1) Parametersätzen werden die x besten (das heißt diejenigen mit den kleinsten Reflexionskoeffizienten) ausgewählt und für diese jeweils wieder x Mutationen erzeugt. Dieses Verfahren beinhaltet sowohl den Vorteil der schnelleren Konvergenz als auch die Möglichkeit, dass sich zunächst ungünstig erscheinende Spezies nach weiteren Mutationsschritten durchsetzen können.
Basierend auf den bisherigen Ausführungen wurde ein numerisches Verfahren entwickelt, das die Bestimmung des Reflexionsvermögens der beschriebenen Schichtstruktur nach evolutionsstrategischen Prinzipien durchführte. Es wurden eine Reihe von Simulationsrechnungen für verschiedene Gesamtschichtdicken, Anzahlen von Schichten innerhalb einer Struktur und Frequenzen der auftreffenden Welle durchgeführt. Die zentralen Ergebnisse bezüglich Absorptionsgrad und Designkonzept von Beschichtungen mit mesoskopischen Metallteilchen stellten sich wie folgt dar:
Bei einer aus vier Schichten bestehenden Schichtstruktur ergab sich mit einer Schichtdicke von drei Millimetern bereits eine Reflexionsminderung von 20 Dezibel.
Es hat sich im Laufe der Arbeiten gezeigt, dass die hier beschriebene Evolutionsstrategie der Aufgabenstellung angemessen war, sodass auf eine weitere Verfeinerung verzichtet werden konnte.
Die Prozessbionik dient nicht nur dazu, natürliche Konstruktionen auf ihre technische Verwertbarkeit abzuklopfen, sondern mit besonderem Vorteil auch Verfahren, mit denen die Natur die Vorgänge und Umsätze steuert. Eines der wesentlichen Vorbilder ist die Photosynthese im Hinblick auf eine zukünftige Wasserstofftechnologie. Weiter können Aspekte der ökologischen Umsatzforschung mit großem Gewinn untersucht werden im Hinblick auf die Steuerung komplexer industrieller und wirtschaftlicher Unternehmungen. Schließlich sind die natürlichen Methoden der praktisch totalen Wiederverwendbarkeit, des – fast vollständigen – Vermeidens von Deponiematerial, wert, in allen Details auf eine Übertragbarkeit untersucht zu werden.
Wichtige Anregungen entstammen der Organisationsbionik für das Management komplexer Systeme. Komplexes Management muss in die Lage versetzt werden, vorausschauend allen Anforderungen eines auch nur mittleren Industriebetriebes gerecht zu werden. Im Gegensatz dazu laufen Organisationsfragen im Bereich der belebten Welt, sei es im Einzelorganismus (die Gesamtkomplexität einer Fliege ist größer als die der gesamten deutschen Volkswirtschaft!) als auch in Organismensystemen und schließlich in ökologischen Systemen, äußerst störungsarm ab. Die funktionellen Querbeziehungen von Ökosystemen, beispielsweise bei einem Waldbrand, sind bereits komplexer als die eines größeren Industriebetriebs. Aus der Art und Weise, wie die Natur Informationen organisatorisch benutzt, lässt sich in analoger Übertragung vieles für Technik und Verwaltung lernen. Dieser Punkt ist sehr zunftsträchtig, wird aber zur Zeit noch sehr zögernd aufgegriffen.
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