Laser-Simulation für militärische Anwendungen

Am Fraunhofer EMI entsteht eine innovative Software, die komplexe Laser-Materie-Wechselwirkungen für wehrtechnische Anwendungen simuliert und die Wirkung von Laserwaffen bewertet. Sie bietet zudem Potenzial für weitere Einsatzgebiete. Die Forschenden nutzen modernste mathematische Verfahren, um die Herausforderungen zu meistern. Bei der Bestrahlung von Objekten mit hochenergetischen Lasern, die über 100 kW leisten und Strahlradien im Milli- bis Zentimeterbereich haben, treten zahlreiche physikalische Effekte auf. Dazu zählen Wärmeleitung im Festkörper, fluiddynamische Effekte nach Phasenübergängen und chemische Reaktionen wie Oxidationsprozesse, die durch die thermische Wirkung des Lasers entstehen. Die Komplexität dieser gekoppelten Prozesse überfordert derzeit verfügbare Softwarelösungen, sodass eine adäquate und performante Simulation nur eingeschränkt möglich ist. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelt das Fraunhofer EMI problemorientierte, modulare Modellierungsansätze. Diese gewichten die Modellgleichungen basierend auf den dominierenden Teilprozessen, während sie weniger relevante Effekte ausblenden. Für die Umsetzung dieser Idee entstand eine Softwareumgebung, die die Implementierung physikalisch-mathematischer Modelle als partielle Differentialgleichungen auf dynamischen Rechengebieten ermöglicht. Die numerische Infrastruktur basiert auf dem Discontinuous-Galerkin-Verfahren, das Konzepte der Finite-Volumen- und Finite-Elemente-Verfahren kombiniert. Dieses Verfahren ermöglicht effiziente Simulationen durch adaptive Auflösungsanpassung und zeichnet sich durch hohe Parallelisierbarkeit aus. Die neu entwickelte Software überzeugt durch ihren modularen Aufbau und erfüllt bereits weitere wehrtechnische Zwecke. Neben der Laser-Materie-Wechselwirkung simuliert sie etwa die Ausbreitung thermischer Strahlung durch die erdnahe Atmosphäre.