Kein Kopfzerbrechen über Kleinkram dank Multiskalenmodellierung im Nanodesign

Das EU-finanzierte MMP-Projekt hat eine Modellierungsplattform entwickelt, um technische Multiskalen- und Multiphysikprobleme beim Design auf Basis von Nanotechnologie zu lösen.

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Materialien und Bauelemente auf Basis von Nanotechnologie bieten der Hightech-Industrie vielversprechende Möglichkeiten, da sie für verbesserte Qualität und Funktionalität stehen. Allerdings erfordert ein nanofähiges Design neben einem besseren Verständnis der Multiskalenübergänge und wie Simulationen, an denen mehrere physikalische Modelle (Multi-Physik) beteiligt sind, am besten zu handhaben sind, die Anwendung der richtigen numerischen Werkzeuge. Leider existiert zur Zeit kein Werkzeug, das sowohl lokale als auch vernetzte Software kombiniert, egal ob maßgeschneidert oder lizenziert, auf dem Markt. Das EU-finanzierte Projekt MMP (Multiscale Modelling Platform: Smart design of nano-enabled products in green technologies) wurde eingerichtet, um diese Lücke zu schließen, indem es eine Modellierungsplattform entwickelte, die speziell ausgestattet ist, um technischen Multiskalen- und Multiphysikproblemen gerecht zu werden. Um die Integration bestehender Modellierungssoftware und Datenspeicher zu ermöglichen, wurde die Plattform generisch und modular entworfen und durch Datennormung und klar definierte Anwendungsschnittstellen unterstützt. Das Streben nach Interoperabilität Oft ist das in bestimmten Bereichen gewonnene wissenschaftliche Wissen in spezialisierten Simulationstools oder Datenbanken enthalten. Einzelne wissenschaftliche Felder sind derzeit Gegenstand von Bemühungen, dieses Wissen zwischen den verschiedenen Quellen zu konsolidieren, wodurch das Design und die Herstellung neuer Materialien und Produkte erleichtert wird. Allerdings konzentriert man sich weniger auf die Kombination von Wissen, das quer durch wissenschaftliche Bereiche geht. Aufgrund ihrer Natur ist Nanotechnik multidisziplinär, wobei verschiedene Modellierungs- und Simulationsressourcen zwischen Einheiten wie Unternehmen und Forschungseinrichtungen verteilt sind. Um Zusammenarbeit und Innovation zu ermöglichen, hat MMP damit begonnen, eine Infrastruktur zu schaffen, die die Interoperabilität dieser unabhängigen Simulationstools und Datenbanken ermöglicht. Mit anderen Worten - die Modelle sollen miteinander kommunizieren können. Wie Projektkoordinatorin Sjoukje Wiegersma erklärt, „wird das die Entwicklung von komplexen Multiphysikmodellen und deren vollautomatischen Durchläufe erleichtern sowie den gegenseitigen Datenaustausch, Kommunikation und Durchführung ermöglichen.“ Die resultierende MuPIF-Plattform arbeitet mittels abstrakter Schnittstellen, die das Team entwickelt hat. Diese können mit Simulationstools und Datenkomponenten verbunden werden, die von vorhandenen Tools und Bibliotheken genutzt werden. Dieser Schnittstellenansatz ermöglicht erweiterbare und modulare Workflows, die unabhängig von einem bestimmten Werkzeug oder Datenformat sind. Das Projekt demonstrierte die Wirksamkeit der Plattform anhand der Beispiele einer einfachen multiphysikalischen thermomechanischen Kopplung und einer multiskaligen Berechnung mit Homogenisierung; teils weil diese Beispiele für andere Modellierungen beliebig erweitert werden können. Die Vielseitigkeit und die Leistung der Plattform wurden durch zwei Fallstudien über die Leistung von Leuchtstofflichtumwandlung in Leuchtdioden und den Wirkungsgrad der CIGS-Dünnschichtverarbeitung für photovoltaische Vorrichtungen weiter bewertet. Eine Plattform, um die Zukunft zu bauen Die Entwicklung eines interoperativen System war keine leichte Aufgabe, wie sich Wiegersma erinnert: „Die wichtigste wissenschaftliche Herausforderung für den Aufbau dieser Plattform besteht in einer richtigen Definition der Skalenübergänge und im damit verbundenen Informationsaustausch zwischen den relevanten Größenordnungen.“ Allerdings versichert sie, dass „die Vorteile in der deutlichen Reduzierung der manuellen Kodierung, einer Interoperabilität auf Basis standardisierter Schemata und der möglichen Verfügbarkeit von vielen Werkzeugen bestehen.“ Letztlich besitzt die Plattform für die Hersteller das Potenzial, die Entwicklungskosten zu reduzieren, die Zeit bis zur Marktreife zu verkürzen und die Produktionsausbeute zu verbessern. MuPIF wurde als Open-Source-Software verbreitet, die von Online-Dokumentation unterstützt wird. Damit werden künftige Nutzer wie etwa KMU nicht nur davon profitieren, sondern auch zum Projekt sowie zu neuen Produktdesigns beitragen können.

Schlüsselbegriffe

MMP, Multiskalenmodellierung, Multiphysik, Interoperabilität, Nano-Design, Nanotechnologie, Simulationstools, Modellierungsplattform

Multiscale Modelling Platform: Smart design of nano-enabled products in green technologies

Kein Kopfzerbrechen über Kleinkram dank Multiskalenmodellierung im Nanodesign

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