Freiberger Patent setzt zeitraubenden Messroutinen ein Ende

Im Jahr der Mathematik sind auch Freiberger Mathematiker an den rund 25 Patenten, die die TU Bergakademie Freiberg pro Jahr anmeldet, beteiligt. Sie haben damit auf nachvollziehbare Weise gezeigt, wie einfallsreich sie sind. Der Freiberger Professor für mathematische Geologie und Geoinformatik, Helmut Schaeben, ließ sich zusammen mit seinem Promovenden Dr. Ralf Hielscher und zwei weiteren Mathematiker-Kollegen aus Chemnitz und Lübeck ein neuartiges Steuerungsverfahren von Messgeräten patentieren.

Auf die Idee dazu kamen die Wissenschaftler im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts „Hochauflösende Texturanalyse“. In dem Projekt, das vom Oktober 2003 bis März 2007 gefördert wurde, griff Prof. Helmut Schaeben zusammen mit Kollegen anderer Universitäten ein mathematisches Problem aus der Messtechnik auf. Sie suchten nach einer Methode, wie sich sehr ungleich verteilte Messwerte sinnvoll mit einer mathematischen Funktion beschreiben lassen. Diese Aufgabe stellte sich bei der Computertomografie in den Materialwissenschaften ähnlich zur medizinischen Computertomographie.

Die in diesem Forschungsprojekt erarbeiteten mathematischen Ergebnisse lieferten Prof. Schaeben gleichermaßen beiläufig wie zwingend den Schlüssel zur Lösung eines ganz und gar praktischen technischen Problems: die Steuerung von Geräten zur Messung der Strahlungsintensitäten bei Röntgenbeugung. Diese Röntgen-Texturgoniometer kommen unter anderem in den Materialwissenschaften zum Einsatz. Mit Hilfe von Röntgenstrahlen lässt sich mit ihnen die räumliche Lage der Ebenen bestimmen, entlang derer sich die Atome in einem Kristall anordnen, die so genannten Netzebenen.

Für die Materialwissenschaften vermitteln diese Messungen wichtige Erkenntnisse über die Eigenschaften eines polykristallinen Materials wie z.B. Stahl oder Gesteine. Weisen in ihm alle Netzebenen die gleiche Ausrichtung auf, dann verhält sich das Material fast so anisotrop wie jeder einzelne Kristall, aus denen es besteht. Anisotorpie bezeichnet die Richtungsabhängigkeit einer Materialeigenschaft, beispielsweise seiner Verformbarkeit. Ist ihre Orientierung jedoch unterschiedlich, dann mitteln sich die richtungsabhängigen Eigenschaften der einzelnen Kristalle heraus und das polykristalline Material verhält sich im Gegensatz zu seinen Bausteinen isotrop, d.h. seine Eigenschaften sind richtungsunabhängig. Aber gerade in sogenannten High-Tech-Materialien ist eine scharf ausgeprägte Vorzugsorientierung und damit hochgradig anisotropes Verhalten gewünscht.

Die Messungen mit Röntgentexturgoniometern zur Qualitätskontrolle waren bisher sehr zeitraubend, sie konnten bis zu mehrere Tage in Anspruch nehmen. Dies lag vor allem daran, dass eine Vielzahl von Punkten auf einer virtuellen Lagenkugel angesteuert werden musste. Sehr effizient waren die Messgeräte dabei nicht. Sie arbeiteten routinemäßig ein vorher festgelegtes regelmäßiges Raster von Messpunkten ab. Danach erst wurden die Messwerte einer Software zur Auswertung zugeführt.

Mithilfe seiner Forschungen gelang es Prof. Schaeben, einen neuen Weg bei den Messungen zu beschreiten. Nun ist es möglich, die Daten während der Messungen so auszuwerten, dass das Raster der Messpunkte in mehreren Schritten lokal da verfeinert wird, wo der größte Informationsgewinn zu erwarten ist. Die vorläufige Auswertung der aktuell verfügbaren Messdaten wird also zur unmittelbaren Steuerung des weiteren Verlaufs der Messungen angewendet. Stellt sich bei den Auswertungen heraus, dass bestimmte Areale der Lagenkugel für die weitere Untersuchung nicht von Interesse sind, werden sie nicht weiter beprobt. In wichtigen Gebieten hingegen wird das Messraster weiter verfeinert und zusätzliche Messdaten erhoben. Durch die gegenseitige Beeinflussung von Messung und Berechnung lassen sich die Messzeiten erheblich verringern und effizienter Nutzen der Messzeit erzielen.

Für das Verfahren erhielten die Forscher im Jahr 2007 ein Patent zugesprochen. Nun hoffen die Wissenschaftler, dass sich Messgerätehersteller an die Neuerung heranwagen. Erstes Interesse hat die Industrie bereits bekundet.