Durchbruch: energieeffiziente Nanocellulose-Herstellung durch molekulare Simulationen und Supercomputing

BerlinWissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben einen bedeutenden Fortschritt bei der Herstellung von Nanocellulose aus Pflanzen erzielt. Durch den Einsatz leistungsstarker Computer zur Durchführung molekularer Simulationen entdeckten sie eine Methode, um den Energiebedarf für die Verarbeitung von Nanocellulose um 21% zu senken. Dieser Durchbruch kann die Kosten reduzieren und die Umwelt schonen.

Forscher entdeckten, dass eine Mischung aus Natriumhydroxid und Harnstoff, gelöst in Wasser, wirksam sein kann. Sie machten diese Entdeckung mithilfe von Simulationen auf Frontier, dem schnellsten Supercomputer für offene Wissenschaft, der vom ORNL betrieben wird. Die Simulationen verfolgten das Verhalten von etwa 0,6 Millionen Atomen und ermöglichten es den Wissenschaftlern, ihre Interaktionen zu beobachten, ohne physische Experimente durchführen zu müssen.

Wichtige Vorteile:

• Senkung des Energieverbrauchs um 21%
• Einsparung von rund 777 Kilowattstunden Elektrizität pro Tonne Nanocellulose
• Beibehaltung der mechanischen Stärke und weiterer wünschenswerter Eigenschaften

Nanocellulose, gewonnen aus Pflanzenzellwänden, ist viel stärker als Stahl und dennoch sehr leicht. Dies macht es ideal für die Herstellung von Materialien für den 3D-Druck, die in umweltfreundlichem Wohnungsbau und Autoteilen verwendet werden. Durch die Kombination von Computertechnologie, Materialwissen und fortschrittlichen Fertigungsmethoden haben Forscher den Produktionsprozess verbessert.

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Der effiziente Einsatz von Energie ist entscheidend, um die Produktion von erneuerbaren Materialien zu steigern und unsere Abhängigkeit von erdölbasierten Produkten zu verringern. Dieser neue Ansatz fördert ein System, in dem erneuerbare und biologisch abbaubare Materialien im Vordergrund stehen. Dadurch lassen sich Kohlendioxidemissionen senken, Abfall reduzieren und nachhaltigere Fertigungsmethoden unterstützen.

Die Methode des Teams, Simulationen vor realen Tests einzusetzen, setzt neue Maßstäbe in der Materialwissenschaft. Simulationen vermeiden teure und langwierige Versuch-und-Irrtum-Verfahren und beschleunigen dadurch die Innovation. Dieser Ansatz könnte auch andere Bereiche revolutionieren, was zu einer schnelleren und effizienteren Entwicklung neuer Technologien führen würde.

ORNL, die Universität von Tennessee, die Universität von Maine und das DOE Office of Science haben gemeinsam schwierige Probleme gelöst. Dieses Projekt demonstrierte die immense Leistungsfähigkeit von Supercomputern in der wissenschaftlichen Forschung und erzielte Fortschritte bei der Entwicklung starker, kostengünstiger und kohlenstoffneutraler Materialien durch fortschrittliche Fertigungstechniken.

Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, kostengünstigere Wege zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen zu finden. Dazu werden neue Trocknungstechniken und Materialkombinationen erforscht. Wissenschaftler werden Simulationen einsetzen, um die besten Mischungen zu identifizieren, was die Produktion dieser Materialien für die fortschrittliche Fertigung verbessern wird. Diese Arbeit unterstützt umfassendere Bemühungen, mit nachhaltigen Methoden Innovationen im US-Produktionssektor voranzutreiben.