Juniorprofessur Elektrolytthermodynamik und Molekulare Simulation

In vielen Prozessen in Natur und Technik spielen Elektrolytlösungen eine wichtige Rolle. Durch Entwicklungen z.B. in den Bereichen Energie und Mobilität wird ihre Bedeutung weiter wachsen. Die Kenntnis thermodynamischer Daten der Lösungen ist daher unabdingbar. Für wässrige Lösungen sind verschiedene Stoffdaten für viele Elektrolyte bekannt, für andere Lösemittel sind oftmals nur wenige Daten verfügbar. Zudem sind Daten wenn überhaupt oft nur für einen engen Zustandsbereich verfügbar. Daher ist eine Modellierung wünschenswert, die zuverlässige Vorhersagen erlaubt. Daraus resultieren folgende Fragestellungen:

  • Wie können fehlende Stoffdaten gemessen werden?
  • Wie können neue Modelle effizient und robust parametriert werden?
  • Welche Vorhersagekraft besitzen die Modelle?
  • Wie lassen sich die Modelle in die Prozesssimulation einbinden?

Die Molekulare Simulation ist ein flexibles Werkzeug zur thermodynamischen Modellierung. Die Modellentwicklung setzt dabei direkt auf der Ebene der zwischenmolekularen Wechselwirkungen an und ermöglicht daher Vorhersagen auf Basis nur weniger zur Parametrierung herangezogener Daten. Die Molekulare Simulation lässt sich allgemein zur Untersuchung vielfältiger Fragestellungen in Maschinenbau und Verfahrenstechnik einsetzen. Am LTD werden folgende Fragestellungen untersucht:

  • Wie können robuste molekulare Modelle, auch für komplexe Moleküle, entwickelt werden?
  • Wie detailliert muss der Modellierungsansatz sein, um die Thermodynamik zufriedenstellend abzubilden?
  • In welchen Anwendungen lassen sich Molekulare Simulationen zur Verbesserung des Prozessverständnisses einsetzen?
  • Welche neuen methodischen Ansätze machen die Simulationen effizienter?

Juniorprofessur Elektrolytthermodynamik und Molekulare Simulation
JP Dr.-Ing. Maximilian Kohns

Forschungsthemen:

  • Experimentelle Ermittlung von Stoffdaten von Elektrolytlösungen
  • Entwicklung thermodynamischer Modelle für Elektrolytlösungen: GE-Modelle, Zustandsgleichungen, molekulare Modelle
  • Anwendung Molekularer Simulationen in Maschinenbau und Verfahrenstechnik
  • Methodenentwicklung in der Molekularen Simulation

Ausgewählte Projekte

Fluidzerstäubung und Verdampfung bei der Nanopartikelsynthese in Sprayflammen

Die Sprayflammensynthese ist ein flexibles Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln. Beim Verbrennen des Lösemittels einer organischen Elektrolytlösung bilden sich die Nanopartikel aus den Ionen der zuvor gelösten Metallsalze. Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 1980 werden am LTD Stoffdaten der eingesetzten organischen Elektrolytlösungen gemessen. Mit diesen Stoffdaten werden thermodynamische Modelle parametriert, die anschließend in numerische Simulationen des Tropfenzerfalls und der Tropfenverdampfung einfließen, wobei auch die thermodynamische Stabilität betrachtet wird. Da eine Vielzahl an Kombinationen aus Lösemittel und gelöstem Metallsalz von Interesse sind, werden auch Methoden zur Vorhersage von Stoffdaten getestet.

 

Rechnergestützer Verfahrensentwurf zur Gewinnung von ionischen Wertstoffen aus Wasserströmen

Für wässrige Elektrolytlösungen sind in der Literatur thermodynamische Modelle für Systeme mit vielen ionischen Spezies verfügbar, die zumindest in einigen Anwendungsfällen zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Ein solches Modell wurde am LTD in ein Simulationsprogramm implementiert, mit dem sich Ausfällungssequenzen in wässrigen Elektrolytlösungen vorhersagen lassen. Mit dem Simulationsprogramm lassen sich verschiedene Verfahren untersuchen, in denen eine Ausfällung von Salzen aus Wasserströmen vorgenommen wird. In Zukunft soll das Modell weiterhin zur gezielten Auslegung solcher Ausfällungsprozesse Anwendung finden.

 

Molekulare Modellierung und Simulation von Elektrolytlösungen

Das für Elektrolytlösungen charakteristische Verhalten wird maßgeblich durch die starken elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Ionen und Lösemittelmolekülen hervorgerufen. Die Entwicklung molekularer Modelle für Elektrolyte setzt direkt an dieser Stelle an. Durch dieses atomistische Detail wird die Struktur der Lösung inhärent richtig abgebildet, die in anderen Modellen trotz großen Aufwands oft nur in grober Näherung beschrieben wird. Molekulare Modelle erlauben daher zuverlässige Vorhersagen. Andererseits erfordert diese Modelltiefe auch die Entwicklung geeigneter Simulationsmethoden. Am LTD werden daher nicht nur neue molekulare Modelle für Elektrolytlösungen, sondern auch neue Simulationsmethoden entwickelt.

 

Physikalische Modellbildung für virtuelle Produktionsprozesse am Beispiel spanender Metallbearbeitung

Insbesondere auf der molekularen Längenskala ist der Einfluss von Kühlschmiermitteln auf spanende Fertigungsprozesse bisher nicht hinreichend verstanden. Molekulare Simulationen erlauben es, die Vorgänge auf der atomistischen Ebene im Detail zu untersuchen und ermöglichen es zudem, gleichzeitig ablaufende Transportprozesse wie Reibung und Wärmeübertragung voneinander getrennt zu betrachten. Im Rahmen des IRTG 2057 werden am LTD mittels molekularer Simulationen zunächst Modellsysteme betrachtet, in denen der Einfluss verschiedener Prozessparameter systematisch untersucht werden kann. Anschließend werden die entwickelten Methoden auf Modelle für reale Fluide und Feststoffe angewendet.

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Letzte Änderung: 15.08.2018