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Legierungen à la Darwin

Suche nach Werkstoffen mit dem evolutionären Algorithmus

Von Rainer Scharf

Metallische Legierungen wie Bronze oder Messing stellt man seit Jahrtausenden her. Die Eigenschaften dieser Stoffe sind denen von reinen Metallen oftmals überlegen. So widerstehen Superlegierungen, die zum Beispiel in Düsentriebwerken Verwendung finden, sowohl extrem hohen Temperaturen als auch starken mechanischen Belastungen. Hatte man früher viele dieser Werkstoffe durch Versuch und Irrtum entdeckt, so geht man inzwischen systematischer vor, indem man beispielsweise leistungsfähige Computer und effiziente Programme verwendet. Jetzt haben dänische Forscher zur Optimierung von Legierungen ein numerisches Verfahren entwickelt, das sich an der biologischen Evolutionstheorie orientiert.

Besonders stabile und widerstandsfähige Legierungen zeichnen sich dadurch aus, daß bei ihrer Herstellung große Wärmemengen frei werden. Gisli Johannesson und seine Kollegen von der Technischen Universität Dänemarks in Lyngby können für jede Legierung, deren Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung vorgegeben ist, die Bildungswärme berechnen. Dazu verwenden sie Methoden der sogenannten Dichtefunktionaltheorie, ein Verfahren aus der Quantenchemie, womit sich Eigenschaften von Vielteilchensystemen berechnen lassen. Die Forscher überprüften die Genauigkeit ihrer Berechnungen zunächst anhand von Legierungen, die aus zwei verschiedenen Metallen bestanden. Die theoretisch ermittelten Bildungswärmen stimmten mit den gemessenen hervorragend überein.

Daraufhin stellten sich die dänischen Wissenschaftler die ungleich schwierigere Aufgabe, die zwanzig stabilsten Legierungen zu finden, die sich jeweils aus maximal vier verschiedenen metallischen Elementen bilden. Dabei standen insgesamt 32 Metalle zur Auswahl. Beschränkte man sich auf Legierungen mit möglichst einfacher Kristallstruktur, so mußten die gewünschten Materialien aus 192 016 möglichen Kombinationen herausgesucht werden. Zur Lösung dieser schwierigen Aufgabe benutzen die Forscher einen evolutionären Algorithmus ("Physical Review Letter", Bd. 88, Nr. 255506).

Die Forscher haben dafür aus dem "Pool" der möglichen Legierungen zunächst zwanzig zufällig herausgegriffen. Diese Population durchlief eine Art Darwinscher Evolution. Dabei konnten je zwei Legierungen "Nachkommen" bilden, indem sie zufällig ausgewählte Metallkomponenten austauschten. Auch "Mutationen" kamen vor. Dazu wurde ein Metall durch ein anderes ersetzt. Für die auf diese Weise erzeugten Verbindungen berechneten die Forscher die Bildungswärme. Dann ermittelten sie die zwanzig stabilsten Legierungen dieser Generation und verwendeten sie für die nächste Evolutionsrunde. Die übrigen schieden aus.

Nach etwa fünfzig Generationen änderte sich die Population nicht mehr. Die zwanzig stabilsten Legierungen, mit einer ungewöhnlich hohen Bildungswärme, waren gefunden. Johannesson und seine Kollegen stießen überraschenderweise stets auf dieselben Werkstoffe, auch wenn sie dem Computer eine andere Anfangspopulation vorgegeben hatten. Einige der gefundenen Legierungen enthielten jedoch teure Metalle oder waren extrem spröde. Daraufhin schränkten Johannesson und seine Kollegen die Suche auf solche Legierungen ein, die weder Silber, Gold, Palladium oder Platin enthielten noch das Element Silizium aufwiesen, da es die Legierungen spröde macht.

An erster Stelle auf der Liste der so gefundenen Werkstoffe stand die Aluminium-Nickel-Verbindung AlNi3, die beste aller bekannten Superlegierungen, die wegen ihrer großen Widerstandsfähigkeit in Strahltriebwerken Verwendung findet. Gute Eigenschaften wies auch eine Verbindung aus Aluminium und Scandium auf, die bisher noch nicht als Hochleistungswerkstoff genutzt wird. Andere Substanzen der Liste sind bislang noch weitgehend unerforscht. Sie gelten als aussichtsreiche Kandidaten für neue Legierungen und sollen nun experimentell hergestellt und eingehend untersucht werden. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 20.07.2002, Nr. 166 / Seite 34

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