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Quantenmechanik macht Laborexperiment überflüssig – doch wer schaut nach Schrödingers Katze?

Schrödingers Katze
Schrödingers Katze

Seit dem Max Planck in den 1900er Jahren die Quantentheorie aufstellte, betonen Physiker die bizarre Natur der Quantenwelt: Elementarteilchen udnd Atome können sich beispielsweise gleichzeitig in verschiedene Richtungen bewegen oder sich zugleich nach rechts und nach links drehen. Alles Theorie?

Man muss verstehen, dass erst mittels der Quantenphysik - neben der Relativitätstheorie ist sie der zweite Grundpfeiler der modernen Physik - alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe im Größenbereich der Atome erklärt werden können, darunter auch die elektrische Leitfähigkeit.

Von links nach rechts: W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, R.A. Millikan und M.T.F. in Berlin on 11 November 1931 (Quelle: Wikipedia)
Von links nach rechts: W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, R.A. Millikan und M.T.F. in Berlin on 11 November 1931 (Quelle: Wikipedia)

Natürlich blieb die Theorie nicht kritiklos: Schrödingers Katze beschreibt ein Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger aus dem Jahre 1935, der mittels eines Paradoxons, bei dem eine Katze gleichzeitig "lebendig" und "tot" ist, quantenphysikalisch erklärte Verhältnismäßigkeiten theoretisch problematisierte. (>)

Doch Quantenmechanik bleibt nicht theoretisch. Trotz vieler spannender und interessanter theoretischer Diskurse, liefert die Quantenmechanik praktische Ansätze, die bei der Erforschung und Entwicklung der nanoFlowcell sowie der Elektrolytflüssigkeit bi-ION von entscheidender Bedeutung sind.

Forscher und Materialwissenschaftler von heute sind anspruchsvoll - sie wollen die Eigenschaften unterschiedlichster Stoffe noch gezielter auf die jeweiligen Anforderungen hin entwickeln. Doch dazu müssen sie diese Stoffe zunächst einmal besser verstehen.

Der klassische Weg, um Stoffe zu untersuchen, ist das Experiment: Reagenzgläser, Erlenmeyerkolben und Bunsenbrenner. Mittlerweile jedoch eröffnen quantenmechanische Computersimulationen alternative Möglichkeiten, denn virtuelle Versuchsreihen sind einfacher, präziser und kostengünstiger durchzuführen.

Chemie Labor (Tim Reckmann, 2014)
Chemie Labor (Tim Reckmann, 2014)

Um 1967 bezeichnete der Informatiker J.C.R. Licklider die Entstehung computergestützter Simulationen gar als das wichtigste Ereignis für Wissenschaft und Technologie seit der Erfindung des Schreibens. (>)

Das mag übertrieben klingen, doch Modelle und Simulationen sind in der modernen Chemie und Physik fast so wichtig geworden wie in der Wirtschaft. Forscher schreiben Computerprogramme, um etwa die Bewegungen von Elektronen simulieren zu können. Diese Modelle werden auf Prozesse angewandt, die fast unmöglich direkt zu verfolgen sind. Zum Beispiel der Prozess des Rostens, der erst nach Minuten sichtbar ist und mitunter Jahre braucht bis er zerstörerisch wirkt, beruht auf Bewegungen von Elektronen, die in Piko-Sekunden ablaufen.

In der Natur kommen Millionen verschiedener komplizierter chemischer Stoffverbindungen vor, mitunter flüchtige Prozesse, welche wir möglicherweise niemals entdecken, weil die Organismen, die sie schaffen, vorher aussterben oder unsere Mittel nicht ausreichen, die zugrundeliegenden Abläufe zu beobachten.

Digitale Modellierung der Ladungsverteilung von Molekülen (Quelle: nanoFlowcell)
Digitale Modellierung der Ladungsverteilung von Molekülen (Quelle: nanoFlowcell)

Im DigiLab der nanoFlowcell Holdings Ltd wird genau daran gearbeitet: durch computergestützte Simulation chemische und physikalische Prozesse besser zu verstehen und mittels computergestützter Modellierung von Molekülen neue chemische Verbindungen künstlich herzustellen.

Das realistische Modellieren von Molekülen, beispielsweise für Elektrolyte, ist jedoch sehr komplex und bedarf verschiedener theoretischer und numerischer Modellierungen. Wichtige chemische und physikalische Prozesse, welche die Eigenschaften von Materialien ausmachen, finden auf der Quantenebene statt, aber auch auf größeren räumlichen und zeitlichen Skalen - von Sekundenbruchteilen bis hin zu hunderten von Jahren. Viele dieser Prozesse sind mathematisch schwer zu fassen. Um die Komplexität dieser Prozesse in Teilprozessen betrachten zu können und ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Stoffeigenschaften zu erhalten, haben die Gründer der nanoFlowcell Holdings Ltd seit Ende der 90er Jahre an Methoden der computergestützten Simulation und Modellierung gearbeitet. So entwickelten sie eine integrierte Hard- und Software für die Multiskalen-Modellierung von Flusszellen, welche im DigiLab über zehn Jahre perfektioniert wurde.

Die Herausforderung für die Forscher dabei ist die korrekte Interpretation der in numerischen Simulationen gewonnenen Rohdaten. Diese digitalen Testdaten müssen so aufbereitet werden, dass sie für Menschen verständlich sind. Die Auswertung ist wohl der kritischste Bestandteil einer Simulation, da diese im nächsten Entwicklungsschritt wiederum die Qualität der Simulationssoftware beeinflusst.

Mit komplexen Simulationsprogrammen wie der Multiskalen-Modellierung können Forscher im DigiLab beispielsweise Struktur und Stabilität der verschiedenen Elektrolytmaterialien eingehender untersuchen, Elektrochemie und Transportvorgängen modellieren sowie mittels computergestützter Simulationstechnik Moleküle mit verbesserten Funktionseigenschaften herstellen.

Die auf quantenmechanischen Prinzipien beruhende Multiskalen-Modellierung von Flusszellen und deren Digital Prototyping sind das Herzstück des DigiLab - für die nanoFlowcell Holdings Ltd die effektivste Struktur einer modernen F+E.

Die virtuelle Entwicklung und Simulation der nanoFlowcell und der bi-ION Elektrolyte sind präzise, schnell und verschaffen der Firma einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Es reicht mitunter nur noch ein einziges Real-Experiment aus, um die rechnergestützten Ergebnisse zu bestätigen. So lassen sich die Kosten für Laborexperimente erheblich reduzieren. In modernen F+E-Einrichtungen wie dem DigiLab werden nicht hunderte Wissenschaftler und Forscher in unzählige, oft redundante Laborexperimente eingebunden, denn die Digitalisierung ermöglicht schlanke Strukturen. In kleinen, spezialisierten F+E-Einrichtungen sind F+E-Prozesse zudem schneller und flexibler durchzuführen als in großen Forschungsinstituten. Mit der Digitalisierung von F+E-Prozessen wird Größe nebensächlich und durch Software und Rechenleistung substituiert.

QUANTiNO (Quelle: nanoFlowcell)
QUANTiNO (Quelle: nanoFlowcell)

Chief Technology Officer der nanoFlowcell Holdings Ltd, Nunzio La Vecchia erklärt: "Entscheidend für eine effiziente Produktentwicklung ist eine durchgängige Digitalisierung aller F+E-Prozesse. Mit der nanoFlowcell haben wir genau dies konsequent umgesetzt. Von der Konzeption über die Entwicklung, Modellierung, und Simulation bis hin zur Herstellung entstand die nanoFlowcell zunächst am Rechner. Wir konnten ihre Funktion simulieren, um dann bauliche Änderungen und Optimierungen am digitalen Prototypen noch vor der physischen Fertigung vorzunehmen. Mit der von uns entwickelten Methode der computergestützten Simulation und Modellierung sowie digitalen Prototypenentwicklung sparen wir nicht nur Forschungs- und Entwicklungskosten, in unserem DigiLab sind wir in der Lage Innovationszyklen erheblich zu verkürzen - beispielsweise bei der Adaption der nanoFlowcell auf die vielfältigsten Anwendungsbereiche."

Mit der Entwicklung der nanoFlowcell und der bi-ION Elektrolyte arbeitet die nanoFlowcell Holdings Ltd an der Lösung technischer Zielkonflikte bei der elektrochemischen Energiespeicherung und -umwandlung: Leistung, Langlebigkeit, Komfort, Sicherheit und Kosten. Die nanoFlowcell-Technologie stellt eine neue Generation elektrochemischer Energiewandler dar, die konfliktfrei, nachhaltig und umweltgerecht eingesetzt werden können, sowohl bei der stationären Energieversorgung als auch in der Elektromobilität.

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