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„Total Energy and Force Methods 2016“ : Computer entwickeln neue Materialien
Panorama 3 Min. 14.01.2016 Aus unserem online-Archiv

„Total Energy and Force Methods 2016“ : Computer entwickeln neue Materialien

Simulation des Zeitverlaufs einer elektronischen Anregung in einer organischen Solarzelle der dritten Generation.

„Total Energy and Force Methods 2016“ : Computer entwickeln neue Materialien

Simulation des Zeitverlaufs einer elektronischen Anregung in einer organischen Solarzelle der dritten Generation.
BILD: CARLO ROZZI
Panorama 3 Min. 14.01.2016 Aus unserem online-Archiv

„Total Energy and Force Methods 2016“ : Computer entwickeln neue Materialien

Rund 90 Wissenschaftler aus der ganzen Welt trafen sich an der Universität Luxemburg, um ihre Ideen auf dem Gebiet der computergestützten Materialentwicklung auszutauschen. Und sie stellten neue Entdeckungen vor.

Von Kerstin Rose

Computergestützte Materialentwicklung – was nach Zukunftsmusik klingt, ist schon seit Jahren Realität. Rund 90 Teilnehmer aus der ganzen Welt trafen sich Anfang dieser Woche an der Universität Luxemburg, um sich auszutauschen und die neuesten Fortschritte auf diesem Gebiet vorzustellen.

Professor Dr. Ludger Wirtz, Fachbereichsleiter auf dem Gebiet Physik und Materialwissenschaften der Universität Luxemburg leitete vom 11. bis zum 13. Januar die Tagung „Total Energy and Force Methods 2016“ im Bâtiment des Sciences in Luxemburg-Limpertsberg.

Bei der computergestützten Materialforschung handelt es sich um Computerprogramme, die mithilfe von Algorithmen Hunderttausende verschiedener Kombinationen von Atomen simulieren können. Was früher mittels der Schrödinger-Gleichung im kleinen Maßstab begann, wird nun durch die Hilfe von Computern im großen Stil weitergeführt.

Die Riege der internationalen Wissenschaftler stellte neue Ideen und Projekte vor.
Die Riege der internationalen Wissenschaftler stellte neue Ideen und Projekte vor.
Foto: Kerstin Rose

Um neue Materialien für die Industrie zu entwickeln, ist es nicht länger nötig, im Labor verschiedene Elemente miteinander reagieren zu lassen und im Anschluss daran zu hoffen, dass die Eigenschaften des neu entstandenen Materials die erwünschten Voraussetzungen erfüllen. Stattdessen können sich Forscher weltweit sämtliche vorstellbaren Kombinationen von einem Programm errechnen lassen. „Man kann alle möglichen Atome des Periodensystems nehmen. Das können zwei, drei, vier oder mehr sein. Die gibt man in den Computer ein, dieser sucht nach einer stabilen Anordnung und wenn er diese gefunden hat, errechnet er die Eigenschaften des Materials“, erklärte Wirtz.

Viele mögliche Anwendungsgebiete

Ein Forscher kann diese Kenntnisse dann gebrauchen, um den Nutzen des neu entstehenden Stoffes und die Anforderungen des gesuchten Materials zu vergleichen. Dies ohne jahrelange Forschung in einem großen Labor mit der nötigen Ausstattung. Aufgrund dieser maßgeblichen Verringerung des zeitlichen und wirtschaftlichen Aufwandes werden Forschungen in diesem Bereich nicht nur von der Industrie finanziell gefördert, sie werden auch von der EU dank mehreren Millionen teueren Projekten, wie etwa dem European Center of Excellence, unterstützt.

Auch der Luxemburger Fonds national de la recherche setzt einen seiner Förderungsschwerpunkte auf die computergestützte Materialsuche und holte durch finanzielle Beihilfen gemeinsam mit der Universität Luxemburg und der European Science Foundation die diesjährige Tagung nach Luxemburg. Auf dieser besprachen die Wissenschaftler „die aktuellen Neuerungen in der Programmentwicklung und welche faszinierenden Anwendungen es derzeit für die verschiedenen Materialien gibt“ erläuterte Prof. Dr. Wirtz.

Rasante Weiterentwicklungen

Um außerhalb dieser ein Mal jährlich stattfindenden Tagungen, anderen Forschern die eigenen Ergebnisse mitzuteilen, veröffentlicht jeder Forscher seine neu gefundenen sogenannten Codes in Fachartikeln. So wurden seit den 1980er Jahren viele Materialien für die Forschung weiterentwickelt und verbessert.

Elektronische Anregung in Molybdändisulfid, einem neuartigen zweidimensionalen Material.
Elektronische Anregung in Molybdändisulfid, einem neuartigen zweidimensionalen Material.
(BILD: LUDGER WIRTZ)

Ein Beispiel hierfür nannte Prof. Dr. Nicola Marzari von der École polytechnique fédérale de Lausanne: „Ein Forschungsschwerpunkt der letzten Jahrzehnte war die Energiespeicherung – alle Formen der Batterien, insbesondere die Lithium-Ionen-Batterien. Sie können immer mehr Energie speichern und die Aufladezeit beträgt nur noch eine halbe Stunde. Dies ist auch ein wichtiger Forschungszweig in der Autoindustrie“.

Ein weiteres Beispiel seien die theoretischen Entdeckungen, die zu der explosionsartigen Entwicklung der Festplattenspeicher geführt hätten. Innerhalb kürzester Zeit steigerten sich die Speichermöglichkeiten von Kilobytes zu Megabytes, dann zu Gigabytes und schließlich zu Terabytes. „Seit Beginn der computergestützten Suche nach neuen Materialien, verdoppelt sich die Geschwindigkeit der Kalkulationen alle 14 Monate. Kein Labor kann so schnell wachsen“, erklärte Marzari, der unter anderem in Oxford gelehrt hat. Dadurch können die Wissenschaftler nun Hunderttausende von Kombinationen errechnen.

Mehr junge Forscher gewinnen

Dies findet auch im Energiesektor Anwendung, indem die Computerprogramme helfen, zum Beispiel die Eigenschaften von Silizium in Solarzellen zu verbessern, um die Größe und dadurch auch den Preis von Solarzellen zu verringern und sie damit noch wettbewerbsfähiger gegenüber fossilen Brennstoffen zu machen. Das ist auch das Hauptziel von Wirtz und seiner Kollegin Prof. Dr. Susanne Siebentritt.

Weiterhin wünscht er sich aber für die Zukunft möglichst viele junge Menschen für die Wissenschaft begeistern zu können und sie dann vielleicht auch für die computergestützte Materialforschung zu gewinnen.


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