Besserer Zement durch Simulation

Software rechnet auf atomarer Ebene

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Zement stellt die Grundlage für unsere moderne Infrastruktur dar.

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17. Februar 2016 — 

Forscher am Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI simulieren Materialeigenschaften von Zement und dessen Wechselwirkung mit der Umgebung. Damit sind weitere Verbesserungen des wichtigsten Werkstoffs der Welt möglich.

 

Zement ist ein hochentwickeltes und komplexes Bindemittel. Und es ist der wichtigste Bestandteil von Beton. Laut dem Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) werden derzeit rund 3,6 Milliarden Tonnen produziert. Jahr für Jahr. Zement ist damit der meistverbrauchte Werkstoff der Welt. Dabei werden – je nach Bauvorhaben – nicht nur für Wohnungen, Brücken oder Straßen unterschiedliche Zementsorten benötigt, sogar in der Medizin kommt das Bindemittel zum Einsatz. Beispielsweise für die Herstellung von Zahnfüllungen. 
Allein für den Häuserbau sind derzeit weit über zwei Dutzend Sorten verfügbar. Und mit einem Zement lassen sich Hunderte verschiedener Betone, die sich in Dauerhaftigkeit, Dichtigkeit und Verarbeitbarkeit unterscheiden, herstellen. Die Industrie sucht und testet deshalb kontinuierlich neue und verbesserte Zusammensetzungen von Zement. Aus Kostengründen kann jedoch nicht jede Mischung im Labor getestet werden, da die praktischen Versuche und die anschließend notwendigen Analysen teuer sind. Simulationen hingegen sind nicht nur kostengünstiger, sondern vor allem deutlich effektiver, weil sie im Unterschied zu einem praktischen Test in kurzer Zeit Materialveränderungen prognostizieren können: Wie lange hält eine Brücke? Wann wird das Material beginnen, seine Eigenschaften zu verlieren? 


Kombinationen zementartiger Materialien modellieren


Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI beschäftigen sich deshalb damit, wie verschiedene Zusammensetzungen von Zement virtuell erprobt werden können. Um neue Zemente oder zementartige Materialien zu entwickeln, ist es wichtig, die Vorgänge auf molekularer Ebene zu verstehen. Hierzu setzen die Forscher die Software Tremolo-X ein, die am Institut entwickelt wurde und mit der sich die grundlegenden Eigenschaften eines Materials berechnen lassen. »Jedes Material besteht aus Atomen und Molekülen. Die Software modelliert die Wechselwirkung zwischen den Atomen und Molekülen auf der atomistischen Skala«, erklärt Dr. Jan Hamaekers, der die Abteilung Virtual Material Design am Fraunhofer SCAI leitet. Prinzipiell lässt sich mit Tremolo-X jedes Material modellieren.
Da die Simulation auf der atomaren Skala alleine nicht ausreicht, modellieren die Forscher zusätzlich Vorhersagen auf der makroskopischen Skala. »Indem wir die Simulationen auf der atomaren und auf der makroskopischen Skala betrachten und die Ergebnisse kombinieren, erhalten wir eine Modellierung, die ausreichend komplex ist, ohne dass wir das vollständige System modellieren müssten«, erläutert Hamaekers. Simulationen auf der makroskopischen Skala sind vor allem dann relevant, wenn es eine Ionenmigration gibt. Das ist bei Auswaschungen der Fall. Denn obwohl es sich bei Zement in der Regel um einen widerstandsfähigen und langlebigen Werkstoff handelt, werden etwa durch sauren Regen die Ionen darin ausgewaschen und so das Material angegriffen. Deshalb ist es wichtig, bei der Entwicklung neuer Materialien die Transportprozesse von Ionen im Zement zu simulieren. So können der Einfluss von saurem Regen auf den Zement vorhergesagt und die Stoffzusammensetzung verändert werden, um einer Destabilisierung entgegen zu wirken. Zum Beispiel durch »selbstheilende« Zemente, die etwaige Risse im Material von selbst wieder füllen.


Numerischer Löser


Für die Simulationen auf der Makroskala verwenden die Forscher mehrere Werkzeuge. Unter anderem wurde intern am Fraunhofer SCAI ein sogenannter numerischer Löser für die Poisson-Nernst-Planck-Gleichung programmiert. Die damit erzielten Ergebnisse von Simulationen auf der atomaren Ebene dienen dazu, charakteristische Parameter für das Gleichungssystem, das die makroskopische, also die sichtbare Größenordnung beschreibt, zu bestimmen. Außerdem setzen die Forscher verschiedene Werkzeuge ein, die sich etwa zur Big-Data-Analyse eignen.
»Es reicht nicht, die Qualitäten eines Materials einmal zu berechnen und es dabei bewenden zu lassen. Wir wollen herausfinden, welche Materialien in welchen Zusammensetzungen die aussichtsreichsten Kandidaten für einen bestimmten Zement sind und damit neue Möglichkeiten eröffnen. Dafür aber muss das Programm mit einer Vielzahl von Variablen umgehen können, denn wir simulieren die Beschaffenheit und die Eigenschaften der Materialien bis zur Nanoebene«, erklärt Hamaekers. Sonst komme es zu einer »kombinatorischen Explosion«, wie es in der Statistik heißt: »Habe ich zwei oder drei Partikel, funktioniert das Errechnen mehrerer Kombinationsmöglichkeiten noch, bei vier oder fünf verschiedenen Atomen wird es schon schwierig. Da die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten exponentiell wächst, können sie in der Praxis nicht alle getestet werden. Mit den Simulationen lassen sich aus dieser enormen Menge an Möglichkeiten die vielversprechendsten herausfiltern.« (mdi)

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