QC Mineral – Quantencomputing für mineralische Materialien

Projektlaufzeit: 1.03.2024 – 31.12.2024

AnwendungenMaterialwissenschaften

Optimierung prozessrelevanter Materialcharakteristika für industrielle Anwendungen.

Wir entwickeln Quantencomputing-basierte atomistische Simulationsansätze zur Untersuchung von Kompositions- und Dotierungseffekten in strukturell komplexen kristallinen und amorphen Oxidwerkstoffen mit dem Ziel der Optimierung prozessrelevanter Materialcharakteristika für industrielle Anwendungen.

Das Ziel des Projektes QCMineral ist die Entwicklung mineralischer Werkstoffe und Prozesse für die Nutzung zur Gewinnung erneuerbarer, kohlenstoffneutraler Energie und Brennstoffe, sowie die Optimierung und Entwicklung von neuartigen Gläsern und Glaskeramiken. Eine besondere Herausforderung für die computergestützte Materialentwicklung liegt hierbei in der Beschreibung von komplexen chemischen Zusammensetzungen sowie einer Abbildung der unregelmäßigen Atomstruktur von glasartigen Materialien. Während dieses Vorhaben selbst die leistungsfähigste klassische Hardware überfordert, verspricht der gezielte Einsatz von Quantencomputern einen substantiellen Zugewinn an simulierbaren Materialsystemen und eine drastische Verkürzung der Entwicklungszeit von neuartigen Werkstoffen.

Motivation

Das Projekt QCMineral zielt auf die Entwicklung mineralischer Werkstoffe und Prozesse für die Nutzung zur Gewinnung erneuerbarer, kohlenstoffneutraler Energie und Brennstoffe sowie die Entwicklung von neuartigen amorphen Funktionsmaterialien. Aus materialwissenschaftlicher Sicht umfasst dies die Optimierung und Neuentwicklung von perovskitartigen Metalloxiden sowie (teil‑)amorphen Oxid-Feststoffen wie Gläsern und Glaskeramiken. In beiden Anwendungsfällen spielt die Zugabe von kleinsten Anteilen zusätzlicher Elemente (Dotierungen) eine fundamentale Rolle in der gezielten Einstellung von funktionsrelevanten Materialcharakteristiken.

Der Einsatz von atomistischen Simulationen zur beschleunigten Identifizierung geeigneter Redoxmaterialien für solarbetriebene thermochemische Energiegewinnungsprozesse stellt dabei, ebenso wie die gezielte Optimierung von Glaskeramiken für Alltags- und Hochtechnologieanwendungen, einen Schlüssel für die Wettbewerbsfähigkeit der heimischen Wirtschaft dar.

Herausforderung

Die Leistungsfähigkeit konventionell in industrieller sowie akademischer Forschung genutzter Simulationsverfahren beruht wesentlich auf der Ausnutzung langreichweitiger Ordnungseigenschaften (d.h. Symmetrien). Hingegen bedingt die Abbildung der komplexen materialeigenschaften-bestimmenden atomaren Struktur und chemischen Zusammensetzung von realen Werkstoffen die Verwendung großer (>> 10³ Atome) Simulationszellen, deren exakter Berechenbarkeit auf rein klassischer Hardware harte Grenzen gesetzt sind. Im Rahmen des Projektes soll daher durch die Zusammenführung von industrieseitig existierenden klassischen Materialsimulationsumgebungen mit leistungsfähigen DLR-seitig entwickelten Quantencomputing-basierten Simulationsansätzen eine hybride quanten-klassischen Materialentwicklungsplattform geschaffen werden, welche, ergänzt durch Methoden des maschinellen Lernens, im Stande ist reale materialwissenschaftliche Problemstellungen industrieller Forschung effizient zu lösen.

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