EKHI: eine offene Datenbank der optischen und thermischen Strahlungseigenschaften fester Materialien

Warum heiße Materialien und verborgene Daten wichtig sind

Von Turbinen und Solarkraftwerken bis zu Raumfahrzeugen: Viele moderne Technologien hängen davon ab, wie Materialien strahlen, reflektieren und Wärme übertragen. Doch ein Großteil der wertvollsten experimentellen Daten zu diesen Verhaltensweisen steckt seit Jahrzehnten in gedruckten Tabellen und Plots. Dieser Artikel beschreibt, wie Forschende diese verstreuten Informationen sorgfältig gerettet, digitalisiert und organisiert haben — in EKHI, einer offenen Online-Datenbank, die es Wissenschaftlern und Ingenieuren erheblich erleichtert, verlässliche Daten darüber zu finden und wiederzuverwenden, wie feste Materialien mit Licht und Wärme interagieren.

Ein Jahrhundert an Messungen zugänglich machen

Mehr als ein halbes Jahrhundert lang haben Ingenieure gemessen, wie Metalle, Keramiken und Beschichtungen thermische Strahlung emittieren, reflektieren, absorbieren und durchlassen — über große Temperatur- und Wellenlängenbereiche. Diese Messungen sind entscheidend, um vorherzusagen, wie heiß eine Raumfahrzeugoberfläche wird, wie effizient ein Solarabsorber arbeitet oder wie eine Hochtemperaturbeschichtung altert. Die Ergebnisse sind jedoch inhärent komplex: Sie hängen gleichzeitig von Temperatur, Wellenlänge und Betrachtungsrichtung sowie von mikroskopischen Details wie Oberflächenrauheit und Porosität ab. Wegen dieser Komplexität wurden experimentelle Resultate üblicherweise als dichte Tabellen und Plots veröffentlicht, begleitet von ausführlichen Notizen zur Probenvorbereitung und Messmethode. Bislang waren diese Aufzeichnungen schwer durchsuchbar oder in moderne Computermodelle wiederzuverwenden.

Aufbauend auf einer klassischen Referenzsammlung

Ein wichtiger Ausgangspunkt für dieses Projekt ist die Reihe Thermophysical Properties of Matter TPRC Data Series — Referenzbände aus den 1970er Jahren, die Strahlungseigenschaften aus Hunderten ursprünglicher Studien aus den Jahren 1900 bis 1970 zusammenstellten. Diese Bücher werden nach wie vor häufig zitiert, weil sie Daten zu metallischen Elementen und Legierungen, nichtmetallischen Festkörpern und Beschichtungen kritisch bewerteten und organisierten. Allerdings lagen sie nur als gescannte Seiten vor. Die Autorinnen und Autoren der vorliegenden Studie beschafften die digitalen Faksimiles der TPRC-Bände aus einem US-Regierungsarchiv für technische Berichte und nutzten sie als Hauptquellen. Ihr Ziel war es, den Reichtum dieser klassischen Kompilationen ins digitale Zeitalter zu überführen — und zugleich modernen Erwartungen gerecht zu werden, dass wissenschaftliche Daten leicht zu finden, zugänglich, mit anderen Datensätzen kombinierbar und zuverlässig wiederverwendbar sein sollten.

Von gescannten Seiten zu strukturierten Dateien

Das Team entwarf einen stufenweisen Workflow, um die gescannten Bücher in maschinenlesbare Dateien zu überführen. Zunächst wandelten sie Literaturverzeichnisse, detaillierte Beschreibungstabellen und numerische Datentabellen mit einer Mischung aus Python-Werkzeugen, optischer Zeichenerkennung, großen Sprachmodellen und sorgfältigen manuellen Prüfungen in Text um. Anschließend nutzten sie einen Online-Indexierungsdienst, um jede Originalarbeit zu recherchieren, die vollständige Zitation zu bestätigen und zu prüfen, ob sie noch zugänglich ist. Nur Daten, die auf eine derzeit erreichbare Primärquelle zurückgeführt werden konnten, blieben in der Erstveröffentlichung erhalten — zugunsten von Qualität und Rückverfolgbarkeit gegenüber bloßer Menge. Mithilfe der in den Büchern gedruckten Kennungen verknüpften sie dann jede Zahlkurve mit der passenden Beschreibung des Experiments und der Probe sowie mit der entsprechenden Publikation. Schließlich fassten sie all diese Informationen in standardisierten digitalen Datensätzen zusammen.

Was der EKHI-Datensatz enthält

Der resultierende Datensatz umfasst 1.251 Kurven mit fast 19.000 numerischen Werten, entnommen aus 167 zugänglichen Originalstudien und 171 verschiedenen festen Materialien. Er deckt vier Hauptarten strahlenden Verhaltens ab: wie viel ein Material emittiert, reflektiert, transmittiert oder absorbiert — untergliedert in spezifische Fälle wie normale oder hemispährische Betrachtungsbedingungen. Die Daten reichen von Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bis zu Schmelzpunkten und von Ultraviolett bis in den fernen Infrarotbereich, mit besonders breiter Abdeckung für nichtmetallische Festkörper. Reflexionsdaten machen mehr als die Hälfte der Einträge aus, gefolgt von Emission und Transmission; Absorptionsdaten sind seltener. Jeder Datensatz wird in einem weit verbreiteten textbasierten Format namens JSON gespeichert und enthält die Rohzahlen, Einheiten, eine Beschreibung der Probe und des Messaufbaus sowie die vollständigen Publikationsdetails — alles so angeordnet, dass Computer die Struktur automatisch prüfen und interpretieren können.

Verlässlichkeit prüfen und Werkzeuge teilen

Da die Originalmessungen Jahrzehnte alt sind, versuchen die Autorinnen und Autoren nicht, deren wissenschaftliche Qualität neu zu bewerten; stattdessen konzentrieren sie sich auf die Erhaltung und Validierung der Digitalisierung. Sie überprüften manuell, dass jeder zitierte Artikel erreichbar ist, dass die bibliografischen Angaben übereinstimmen und dass die kopierten Tabellen und Anmerkungen Eintrag für Eintrag mit den gedruckten Büchern übereinstimmen. Verdächtige Stellen wurden markiert und visuell über die EKHI-Website inspiziert, die es Nutzerinnen und Nutzern ermöglicht, Materialien und Eigenschaften zu durchsuchen und Kurven interaktiv geplottet zu sehen. Das Team führte außerdem automatische Prüfungen durch, die sicherstellen, dass jede JSON-Datei einem vordefinierten Muster folgt. Begleitend zum Datensatz veröffentlichten sie die Skripte zur Datenverarbeitung und die formale Beschreibung der Dateistruktur, damit andere die Arbeit reproduzieren, erweitern oder dieselbe Vorgehensweise auf neue Quellen anwenden können.

Was das für zukünftige Forschung bedeutet

Kurz gesagt zeigt dieser Artikel, wie ein großer, schwer zu nutzender Haufen alter, aber wertvoller Messungen in eine klare, durchsuchbare und wiederverwendbare Ressource verwandelt wurde. EKHI ersetzt keine neuen Experimente und erhebt nicht den Anspruch, endgültige Werte für eine Eigenschaft zu liefern. Stattdessen macht es Forschenden wesentlich leichter, verschiedene Studien zu vergleichen, ungewöhnliche Ergebnisse zu erkennen und realistische Strahlungseigenschaften in Simulationen oder datengetriebene Modelle einzuspeisen. Indem numerische Werte mit reichhaltigem Kontext verknüpft werden und jede Kurve auf das ursprüngliche Paper zurückverfolgbar ist, bietet EKHI eine robuste Grundlage für künftige Arbeiten darüber, wie feste Materialien mit Wärme und Licht umgehen.

Zitation: Gabirondo-López, J., Sainz-Menchón, M., Tolosa-Lecea, I. et al. EKHI: an open database of optical and thermal radiative properties of solid materials. Sci Data 13, 740 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-07083-9

Schlüsselwörter: thermische Strahlungseigenschaften, optische Daten, Materialdatenbank, Emissivität Reflexion, FAIR-Daten