Flüssig oder gasförmig? 13.02.2025, 12:30 Uhr

Physiker lösen altes Problem der Phasentrennung

Forschende kombinieren Physik und KI zur genauen Vorhersage von Phasentrennung – eine Methode mit großem Potenzial für Industrie und Forschung.

Wolken

Unter bestimmten Bedingungen kann Wasser gleichzeitig flüssig und gasförmig sein, zum Beispiel bei der Wolkenbildung. Diese Phasentrennung ließ sich bislang nur näherungsweise bestimmen. Durch Einsatz von KI ändert sich das.

Foto: PantherMedia / dz1958.hotmail.com

Ein Team aus Bayreuth hat mithilfe von maschinellem Lernen die klassische Theorie der Phasentrennung verfeinert. Ihre Methode erlaubt nun präzisere Vorhersagen, wann eine Substanz flüssig oder gasförmig vorliegt. Diese hybride Herangehensweise hat großes Potenzial für die Materialforschung und industrielle Anwendungen.

Flüssig oder gasförmig – das ist häufig die Frage

Flüssigkeiten und Gase existieren oft gleichzeitig in einem System – etwa in einem Wasserglas, aus dem kontinuierlich Moleküle verdunsten und wieder kondensieren. Bei der Wolkenbildung kann Wasser unter bestimmten Bedingungen gleichzeitig flüssig und gasförmig sein. Die Bedingungen, unter denen eine Substanz flüssig oder gasförmig vorliegt, sind von Druck und Temperatur abhängig. Wird eine kritische Temperatur erreicht, verschwinden die klar getrennten Phasen, und es entsteht ein sogenanntes überkritisches Fluid. Solche Phasenübergänge sind für industrielle Prozesse essenziell, etwa in der Trenn- und Reinigungstechnik.

Die Vorhersage dieser Übergänge ist jedoch eine große Herausforderung, da klassische Modelle wie das von Johannes Diderik van der Waals (Nobelpreis 1910) nur auf Näherungen beruhen. Selbst moderne statistische Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie sind durch schwer überprüfbare Annahmen begrenzt. Forschende der Universität Bayreuth haben nun mit einem neuen Ansatz eine präzisere Lösung gefunden. Sie kombinierten klassische physikalische Theorien mit maschinellem Lernen, um zuverlässigere Vorhersagen zu treffen.

Wie maschinelles Lernen die Vorhersage verbessert

Dr. Florian Sammüller und Prof. Dr. Matthias Schmidt von der Universität Bayreuth entwickelten gemeinsam mit dem britischen Physiker Prof. emeritus Robert Evans eine hybride Methodik. Diese verbindet die theoretische Beschreibung von Phasenübergängen mit der Leistungsfähigkeit neuronaler Netze. Solche Netzwerke bestehen aus künstlichen „Nervenzellen“, die Informationen verarbeiten und Muster erkennen.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Stadtverwaltung Gera-Firmenlogo
Projektingenieure (m/w/d) Stadtverwaltung Gera
WOLFF & MÜLLER-Firmenlogo
Oberbauleiter Hochbau (w/m/d) WOLFF & MÜLLER
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Konstruktion und Entwicklung (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
Autoland AG-Firmenlogo
Oberbauleiter Tiefbau / Dipl. Ing. Tiefbau (m/w/d) Autoland AG
Sandersdorf-Brehna Zum Job 
Tröger & Cie. Aktiengesellschaft-Firmenlogo
Inhouse Application Consultant (m/w/d) Tröger & Cie. Aktiengesellschaft
Dortmund Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektleitung (m/w/d) Bau und Erhaltung Strecke Die Autobahn GmbH des Bundes
Technische Hochschule Augsburg-Firmenlogo
Professur (W2) für Nachhaltigkeit und Digitalisierung in Produktionsprozessen Technische Hochschule Augsburg
Augsburg Zum Job 
EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG-Firmenlogo
OT Specialist / Operational Technology Engineer (w/m/d) EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG
TenneT-Firmenlogo
Servicetechniker Instandhaltung Umspannwerke (m/w/d) TenneT
Bayreuth Zum Job 
Humanetics Europe GmbH-Firmenlogo
Senior R&D Electronic Engineer (m/w/d) Humanetics Europe GmbH
Rheinmünster Zum Job 
Humanetics Europe GmbH-Firmenlogo
R&D Software Engineer SQL & ERP Applications (m/w/d) Humanetics Europe GmbH
Rheinmünster Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung Konstruktiver Ingenieurbau (m/w/d) Hennigsdorf Die Autobahn GmbH des Bundes
Hennigsdorf Zum Job 
Dawonia-Firmenlogo
Techniker Propertymanagement (m/w/d) in der Immobilienwirtschaft Dawonia
München Zum Job 
AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH-Firmenlogo
Sachgebietsleiter Bau (m/w/d) AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH
AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH-Firmenlogo
Bauingenieur (m/w/d) AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH
medac pharma production GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur (m/w/d) medac pharma production GmbH
Dessau-Roßlau Zum Job 
TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH-Firmenlogo
Qualifizierung Kfz- Prüfingenieur/-in (m/w/d) bzw. Kfz- Sachverständige/-r (m/w/d) TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH
Heppenheim, Bischofsheim Zum Job 
noris network AG-Firmenlogo
Techniker Zutrittskontrolle & Videoüberwachung / Datacenter Engineer (m/w/d) noris network AG
Nürnberg Zum Job 
fripa  Papierfabrik Albert Friedrich KG-Firmenlogo
Projektingenieur Papierverarbeitung (m/w/d) fripa Papierfabrik Albert Friedrich KG
Miltenberg Zum Job 
ZVEI e.V. - Verband der Elektro- und Digitalindustrie-Firmenlogo
(Senior) Manager / Referent Elektroniksysteme (w/m/d) ZVEI e.V. - Verband der Elektro- und Digitalindustrie
Frankfurt am Main Zum Job 

Das maschinelle Lernmodell basiert auf einer zentralen physikalischen Annahme: Die Eigenschaften eines Systems lassen sich allein durch die Teilchendichte beschreiben. Diese Idee wurde bereits 1979 von Evans in einer „funktionalen Beziehung“ formuliert. Bisher war die Modellierung solcher Beziehungen durch mathematische Näherungen und physikalische Intuition begrenzt. Mit modernen KI-Techniken können diese Einschränkungen nun überwunden werden. „Eine Fülle von Annahmen, die seit van der Waals nur vermutet wurden, lassen sich nun quantitativ untersuchen und größtenteils bestätigen“, erklärt Schmidt.

Anwendungspotenzial für Industrie und Forschung

Diese neue Methode hat weitreichende Implikationen. Sie erlaubt nicht nur eine genauere Vorhersage von Phasenübergängen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten in der Materialwissenschaft und Verfahrenstechnik. Besonders in der Modellierung von Kapillarverhalten in Poren, der Benetzung von Oberflächen oder der Entmischung von Stoffen könnte dieser Ansatz bahnbrechend sein.

Sammüller hebt hervor: „Die statistische Mechanik von Fluiden bietet zahlreiche Möglichkeiten, um die Qualität von KI-Vorhersagen mit physikalischen Gleichungen zu überprüfen und zu kontrollieren.“ Die Kombination aus maschinellem Lernen und theoretischer Physik könnte daher künftig eine Schlüsselrolle in der präzisen Modellierung komplexer Systeme spielen.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.