Mein Jüngster ist 6 Jahre alt; ein kleiner Junge des neuen Jahrtausends. Er interessiert sich nicht für Märchen. Was er faszinierend findet, ist die Physik. Vor allem die Teilchenphysik, auch wenn ich nicht glaube, dass er den Unterschied wirklich kennt. Er ist besessen vom Large Hadron Collider im CERN und sieht sich TED-Talks mit Brian Cox an. Besonders einer, in dem es darum geht, was beim LHC schief gelaufen ist, ist sein Favorit. Ich glaube, das liegt daran, dass Brian Cox am Ende sagt, dass sie versuchen, die Bausteine des Universums zu entdecken, indem sie kleine Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit zusammenstoßen lassen. Wenn Leon also einen Regenbogen sieht, stellt er sich nicht Töpfe voller Gold am Ende vor, sondern eher Teilchen, die zusammenstoßen und die Bausteine des Universums enthüllen.

Teilchenverfolgung (in der Lichtsprache als Raytracing bezeichnet) ist, ehrlich gesagt, eine wirklich gute Methode, um Licht und seine thermischen Auswirkungen zu simulieren. Das Licht zerstreut sich, reflektiert und bricht sich und verursacht thermische Effekte auf das Objekt, mit dem es in Berührung kommt. Die Brechung ist eine sehr wichtige Eigenschaft des Lichts und ist auch für einige natürliche optische Phänomene wie Regenbögen verantwortlich. Wenn es also einen Topf voll Gold am Ende des Regenbogens gibt, dann ist es mit Sicherheit ein heißer!

In Simcenter STAR-CCM+ 2019.3 veröffentlichen wir einen neuen stochastischen Solver für die thermische Strahlungsenergie (RTE), der auf der Strahlverfolgungsmethode Surface Photon Monte Carlo (PMC) mit Brechungsmodellierung basiert. PMC ist wohl die genaueste Methode für RTE. Der neue (PMC-)Solver ist also hochpräzise und sehr effizient und modelliert die Auswirkungen von Brechung und Reflexion, wodurch er sich gut für Scheinwerferanwendungen eignet. Vergleiche mit dem diskreten Ordinatenmodell (DOM), dem einzigen anderen Strahlungsmodell, das die Brechung modelliert, zeigen, dass das neue PMC-Modell bei der Vorhersage der Brechung effizienter und genauer ist als das DOM (siehe die Vergleichsbilder).

Unter Brechung versteht man die Richtungsänderung des Lichts beim Übergang von einem Medium in ein anderes oder bei einer allmählichen Veränderung des Mediums. Im Falle von Scheinwerfern kann dies der Kunststoff des Scheinwerfers oder sogar die Luft in seinem Inneren sein. Die Brechung ist wichtig, wenn es um die thermische Sicherheit geht. Um vorhersagen zu können, wo das Licht einen Hotspot erzeugen wird, müssen wir wissen, wie es sich bricht. Auf diese Weise können wir die richtige Wärmebelastung durch die LEDs oder die Sonne berücksichtigen. Da die Scheinwerfer mehrere strahlungsemittierende Materialien sowie den äußeren Kunststoff haben, wird das Licht gebrochen und erzeugt in bestimmten Bereichen Hotspots, und die Hitze kann den Scheinwerfer beschädigen. Warum ist das wichtig? Lassen Sie mich einige Beispiele nennen:

Beispiel 1: Die Glühbirne ist ein Hot Spot auf der Abschlussscheibe, verursacht durch die optische Linse, z.B. bei einer Xenon-Lampe. Dieser Hot Spot ist typischerweise heißer, wenn Brechung vorhanden ist (real oder modelliert) und daher wichtig für diese Art von Systemen.

Beispiel 2: Sonnenlicht (Einstrahlung) wird durch eine optische Linse (z. B. Xenon-Lampe, LED-Licht) gebündelt und hat den Brennpunkt in der Nähe einer Oberfläche, die Schäden verursachen kann. Mit dem neuen Oberflächen-PMC-Modell können wir diese Hotspots genau vorhersagen und das Design ändern, indem wir Hitzeschilde an den richtigen Stellen einbauen, was zu besseren und haltbareren Designs führt.

Scheinwerfer sind sehr teuer und sehr empfindlich. Die neuen Designs sind außerdem transparent, so dass die Ästhetik ein wichtiger Aspekt ist. Damit die Hersteller von Scheinwerfern die Ästhetik bewahren und sich gleichzeitig auf die Haltbarkeit verlassen können, müssen sie die Hotspots genau vorhersagen.

Die Anwendung, die wir heute betrachten, ist die Beleuchtung von Scheinwerfern, aber weitere Anwendungen wie die Medizin (Röntgenstrahlen, MRT-Scans und Strahlentherapie), die Halbleiterherstellung und die Verteidigung benötigen eine genaue Modellierung der Strahlungseigenschaften, was PMC sehr attraktiv macht.

Zurück zu meinem kleinen Wissenschaftler und der Realität von Regenbögen und Lichtbrechung. Es ist so schön, seine Begeisterung zu sehen! Neulich sagte er zu mir: „Wenn ich groß bin, werde ich ein leitender Physiker im CERN sein“. Ich sagte natürlich: „Das ist schön, mein Schatz! Willst du der nächste Brian Cox werden?“ Seine Antwort rührte mich zu Lachtränen und erinnerte mich daran, dass er noch ein kleiner Junge ist. Er sagte: „Nein Mami, ich behalte lieber meinen eigenen Namen“!!!

„Für die kleinen Wissenschaftler der Zukunft“