Einblick in die Randzone des Plasmas und Unsicherheit mit System: Eickhoff-Preis 2009 für RUB-Ingenieure

Für ihre herausragenden Forschungsarbeiten erhalten zwei Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum den Gebr. Eickhoff-Preis 2009.

In seiner Dissertation eröffnet Dr.-Ing. Frank Scharf (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) einen neuen Einblick in die etwa zehn Mikrometer breite Randschicht des Plasmas in modernen HID-Lampen und erweitert damit die Kenntnis über deren Leuchteigenschaften. Dr.-Ing. Marc-André Beyer (Fakultät für Maschinenbau) entwirft in seiner Dissertation ein Softwarewerkzeug und neue Algorithmen für die Entwicklung kybernetischer Systeme, etwa Roboter oder Navigationssysteme, die trotz Unsicherheit selbstständig urteilen müssen. Der Eickhoff-Preis ist mit jeweils 3.000 Euro dotiert und wird am kommenden Freitag, 26.6. verliehen (10.15 Uhr, Gebr. Eickhoff, Hunscheidtstr. 176, 44789 Bochum). Die Medien sind herzlich willkommen.

HID: Drücke wie in 1.000 Metern Tiefe

Wenn das Flutlicht im Sportstadion strahlt, die Autoscheinwerfer in der Dunkelheit blenden oder das Licht des Videoprojektors die Leinwand erhellt, ist Plasma im Spiel. In so genannten Hochdruckgasentladungslampen (High Intensity Discharge Lamps, kurz HID) herrscht der vierte Aggregatzustand. Zwischen Anode und Kathode bestimmen Drücke um die 100 bar das Miteinander von Elektronen, Ionen und Neutralteilchen. Ein vergleichbarer Druck herrscht in 1.000 Metern Tiefsee. Da dieser Zustand Messungen fast unmöglich macht, entwickelt Dr.-Ing. Frank Scharf in seiner Dissertation Simulationen, die es erlauben, die etwa zehn Mikrometer breite kathodennahe Randschicht des Plasmas genauer zu betrachten.

Ein neues kinetisches Modell

Hochdruckentladungen werden in fluiddynamischen oder kinetischen Modellen dargestellt. Während die Fluiddynamik das Plasma mittels Dichte, Geschwindigkeit, Druck und Temperatur modelliert, nähern sich kinetische Methoden dem Untersuchungsgegenstand über statistische Berechnungen. Das können zum Beispiel Verteilungsfunktionen im so genannten Phasenraum sein – einem sechsdimensionalen Gebilde, das die Dynamik von Teilchen beschreibt. Scharf untersucht zunächst ein etabliertes Fluidmodell und erweitert es. Dabei berücksichtigt er Rekombinationsstöße, die in vorhergehenden Studien vernachlässigt wurden. Seine Lösungen ermöglichen eine verbesserte Simulation der Randschicht, weisen aber zugleich die Grenzen dieses Ansatzes auf. In einem weiteren Schritt gelingt es Scharf, ein von ihm entworfenes kinetisches Modell zu lösen. Durch die Boltzmann-Gleichung kommt er zu Ergebnissen, die neue Erkenntnisse über HID-Lampen und ihre Leuchteigenschaft ermöglichen.

Kybernetik: Richtig urteilen trotz Unsicherheit

Selbstständig urteilende und handelnde Roboter erforschen unser Sonnensystem; biometrische Systeme (Stimmen- und Gesichtserkennung) unterstützen die Terrorbekämpfung; Automobile überwachen sich selbst, den Verkehr und den Fahrer. So unterschiedlicher Herkunft diese Beispiele aus dem Bereich der Kybernetik sind, so weisen sie doch alle eine Gemeinsamkeit auf: Sie operieren in der realen Welt, lernen von ihr, urteilen über sie und reagieren auf sie. Dabei sind sie gezwungen mit Unsicherheiten (z. B. Rauschen von Sensoren) umzugehen. Um solche Systeme entwickeln zu können, bedient man sich der Wahrscheinlichkeitstheorie, die Unsicherheiten in einer formalen Sprache abbildet und die zugleich als Rechenmethode dient, sie zu verarbeiten. Ziel ist, trotz Unsicherheiten richtig schlussfolgern bzw. urteilen zu können.

Navigationssysteme für U-Boote

Marc-André Beyer analysiert in seiner Dissertation Algorithmen zur Informationsgewinnung aus kybernetischen Systemen, die mit Unsicherheiten behaftet sind. Er entwirft eine neue Methode, um Systementwickler beim Entscheidungsprozess für ein geeignetes Verfahren zu unterstützen. Das Resultat sind ein Softwarewerkzeug und neue Algorithmen. Die Ergebnisse seiner Arbeit flossen bereits in die industrielle Entwicklung eines modellbasierten Diagnosekonzepts für Dieselpartikelfilter ein und werden momentan angewandt in der Entwicklung von integrierten Navigationssystemen für U-Boote.

Biografisches Marc-André Beyer

Nach dem Abitur in Essen 1999 studierte Marc-André Beyer von 2000 bis 2005 Maschinenbau mit Schwerpunkt Konstruktions- und Produktautomatisierung an der Ruhr-Universität Bochum. Seine Dissertation „Methodische Evaluierung von wahrscheinlichkeitstheoretischen Inferenzverfahren für dynamische Systeme“ schrieb er zwischen 2005 und 2008 an der RUB am Lehrstuhl für Regelungssysteme und Steuerungstechnik (Prof. Dr. Gunter Reinig; heute Lehrstuhl für Regelungstechnik und Embedded Systems) an. Seit 2009 ist er Mitarbeiter der Raytheon Anschütz GmbH, Kiel, in der Entwicklung kybernetischer Systeme für die kommerzielle Schifffahrt und die Marine.

Biografisches Frank Scharf

Dr.-Ing. Frank Scharf studierte Elektrotechnik und Informationstechnik an der Ruhr-Universität Bochum. Seine Dissertation „Fluid Dynamic and Kinetic Modeling of the Near-Cathode Region in Thermal Plasmas“ entstand am Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik unter Betreuung von Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann. Der 31-Jährige kommt aus Essen und arbeitet zurzeit in den USA.

Weitere Informationen

Marc-André Beyer, E-Mail: marcandrebeyer@googlemail.com
Frank Scharf, E-Mail: frank.scharf@rub.de
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Meike Klinck, Tel. 0234/32-22720, E-Mail: meike.klinck@rub.de

Fakultät für Maschinenbau, Dekanat, Tel. 0234/32-26192, E-Mail: dekan-mb@rub.de

Redaktion: Jens Wylkop