Projekte

Eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft ist unerlässlich, um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Hierfür ist insbesondere die Entwicklung neuer innovativer Baustoffe entscheidend. Allerdings ist diese Entwicklung bisher ein sehr mühsamer und langwieriger Prozess. Um diesen Prozess zu unterstützen und deutlich zu beschleunigen, forschen die Experten des Fraunhofer Institut IBP und des Fraunhofer Institut SCAI am Forschungszentrum für Maschinelles Lernen an neuen datengetriebenen virtuellen Techniken zum Materialdesign.

Empirische Analysepotenziale und ab initio-Methoden wie die Dichtefunktionstheorie sind klassische Säulen der computergestützten Materialwissenschaft. Mit den Fortschritten im Bereich des maschinellen Lernens und der rasanten Zunahme der Rechenleistung werden datenbasierte Ansätze zu einem neuen Werkzeug, mit dem die Vorhersagekraft von ab initio-Methoden mit der rechnerische Effizienz von empirischen Potenzialen kombiniert werden können. Standard-Techniken des maschinellen Lernens wie Kernel-Learning (z.B. für das Gaußsche Approximationspotenzial), tiefe neuronale Netze (z.B. neuronale Netzwerkpotenziale von Behler et al.) und verallgemeinerte lineare Modelle (z.B. für Impuls-Tensor-Potentiale) wurden verwendet, um aus Daten schnelle und genaue Kraftfelder zu entwickeln, ohne dass menschliches Wissen über die zugrunde liegende Chemie erforderlich war. In diesem Projekt entwickeln wir qualitativ hochwertige, einfach zu handhabende Implementierungen solcher maschinellen Lernpotenziale und untersuchen Verbesserungsmöglichkeiten.

Ziel des Verbundprojekts MaGriDo ist die Entwicklung von Methoden des maschinellen Lernens, die deutlich weniger Daten benötigen als bisher oder Vorhersagen treffen können, die konsistent zum vorhandenen Wissen sind.

Organische Redox-Flow-Batterien (RFBs) gelten als vielversprechender Ansatz für die Speicherung von temporären Überschüssen bei der Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen. Das Projekt SONAR zielt darauf ab, den vielschichtigen Entwicklungsprozess von RFBs in seiner Gesamtheit digital zu erfassen. Außerdem geht es darum, das Screening zur Identifizierung geeigneter Stoffe zu beschleunigen und das Design eines Batteriesystems an konkrete Gegebenheiten zu optimieren. Die Projektpartner entwickeln Werkzeuge und Arbeitsabläufe für die Untersuchung elektroaktiver Materialien. Sie kombinieren dazu Simulationsmethoden auf verschiedenen physikalischen Skalen – von der quantenmechanischen Ebene bis zum sichtbaren, makroskopischen Verhalten. Dabei fließen Faktoren wie Kosten, Lebensdauer und Leistung mit ein, um auch konkurrierende Energiespeichertechniken umfassend miteinander vergleichen zu können.

Wachstum und Bearbeitung von Werkstoffen sind ein integraler Bestandteil des chemischen und elektronischen Engineerings. Da diese Industriezweige dabei sind, nanotechnologische Entwicklungen einzuführen, sind die entsprechenden Prozesse auf eine Präzision auf atomarer Skala angewiesen, die durch eine experimentelle Herangehensweise nur sehr schwierig und aufwändig zu erreichen ist. Das neu entwickelte Werkzeug wird es ermöglichen, Mechanismen auf atomarer Skala unter verschiedenen Prozessbedingungen zu simulieren und so wertvolle Erkenntnisse für die Prozessoptimierung zu liefern, welche die Kosten für die Entwicklung neuer Werkstoffe reduzieren.

Im von der Europäischen Kommission geförderten Projekt »Human Brain Projekt« (HBP) arbeiten führende Forschungseinrichtungen daran, das menschliche Gehirn besser zu verstehen. Dazu entwickeln sie beispielsweise neue Simulationsverfahren auf Hochleistungsrechnern. Ziele sind die Entwicklung neuer Therapieansätze zur Behandlung von Erkrankungen des Gehirns sowie neue Verfahren im Hochleistungsrechnen.

There is an urgent need for new modeling tools for discovering and predicting the properties of new materials used in electronics. QuantumWise, Fraunhofer SCAI and scapos bring together their expertise and software tools to develop a simulation platform which can model new materials sufficiently accurately.

Kombinierte Diffusions- und Konvektionsvorgänge von Ionen durch verschiedenartige Materialien sind die Grundlage vieler technisch interessanter Prozesse, von Batteriebetrieb über Betonzersetzung bis zum Einsatz von Biomembranen. NPNP ist eine Software zur numerischen Simulation von komplexen Ionenmigrationsprozessen mehrerer verschiedener Ionenspezies unter Berücksichtigung der Kopplung von elektrischem Feld und Ladungen bei freier Geometrie. NPNP erlaubt die Simulation zeitabhängiger Phänomene.

Im BMBF-Projekt »Schaltbare, intelligente Tribosysteme mit minimalen Reibverlusten und maximaler Lebensdauer« (SchmiRmaL) verwendet Fraunhofer SCAI eine hochmoderne molekulare Modellierung zur Simulation von Octanol-Wasser- und Membran-Wasser-Verteilungskoeffizienten. Beide Bestandteile sind wichtig, um die Giftigkeit der Chemikalien zu schätzen. Dabei misst die Octanol-Wasser-Verteilung, wie stark sich eine Chemikalie in einem biologischen Stoff anreichert. Dagegen zeigt die Membran-Wasser-Verteilung, wie schnell eine Chemikalie in eine biologische Zelle eindringen kann. Da die Experimente aufgrund der extrem geringen Konzentrationen nicht leicht durchzuführen sind, stellt die Simulation in Bezug auf die Genauigkeit und den Preis eine realistische Alternative dar.

Die meisten Nanopartikel besitzen außergewöhnliche Materialeigenschaften und bieten somit ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten in vielen Anwendungsfeldern wie zum Beispiel der Leichtbauweise, Energie, Umwelt, Elektronik, Medizin und auch der Informations- und Kommunikationstechnik. Insbesondere werden sie als Füllstoffe in Nanokompositen verwendet. Neben auf Kohlenstoff oder Bornitrid basierten Nanopartikeln kommen auch keramische und metallische Nanopartikel zum Einsatz und sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Im Rahmen des Designs und der Herstellung von Nanomaterialien ergeben sich viele Fragestellungen, zu deren Lösung das Geschäftsfeld Virtual Material Design effiziente Werkzeuge zur Verfügung stellt.