Fraunhofer-Software beschleunigt Materialentwicklung

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Mit dem "Virtual Material Design"-Ansatz, der speziell entwickelten Software Tremolo-X und einer Kombination von Multiskalenmodellen, Datenanalyse und maschinellem Lernen wollen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen (SCAI) in Sankt Augustin schneller optimierte Materialien entwickeln können. Diese neue Methode soll die langwierige Suche in riesigen Werkstoffdatenbanken und anschließende Laborversuche weitgehend überflüssig machen. 

"Die Idee ist, über virtuelle Prozesse die Anzahl der Kandidaten auszusieben, bis nur noch einige wenige übrig sind, die dann im Labor getestet werden", erläutert Dr. Jan Hamaekers vom Fraunhofer SCAI. Dafür werden die zuvor definierten Anforderungen an den Werkstoff bis auf die atomare Ebene herunter gebrochen. Diese werden im Computer mit der Fraunhofer-Software auf zwei verschiedene Weisen simuliert: Auf atomarer- oder auf Quantenebene werden virtuelle Teilchen simuliert. Die Software Tremolo-X berechnet dann das Verhalten der Teilchen des Materials bei bestimmten physikalischen Effekten, um herauszufinden, ob sich auf Basis dieser Teilchen ein Werkstoff mit den gewünschten Eigenschaften entwickeln lässt.

Von der Quantenebene zur Traktionsbatterie

Bei der Multiskalen-Modellierung wird zunächst auf Quantenebene die Chemie des Materials beschrieben. Diese Informationen werden dann auf immer gröbere Modelle übertragen, die Moleküle und deren physikalische Eigenschaften abbilden. "Will man zum Beispiel bei einer Lithium-Ionen-Batterie vorhersagen, wie gut das Elektrolyt ist beziehungsweise wie schnell die Ionen diffundieren, simulieren wir zunächst die Teilchen auf der Quantenebene und sehen, was da für Reaktionen ablaufen. Dann gehen wir mit diesen Informationen auf die nächste Ebene und erhalten Aufschluss über die Dynamik, also wie sich die Partikel auf atomarer Ebene bewegen. Von hier können wir dann noch eine Skala nach oben gehen und uns anschauen, wie sich das Elektrolyt in der makroskopischen Welt verhält. So erhalten wir präzise Einblicke in alle Abläufe und können falls nötig Prozesse anpassen oder verändern", so Hamaekers. Das Fraunhofer SCAI stellt das virtuelle Materialdesign auf der Hannover Messe 2018 vor.