Chemiker nutzen Supercomputer für die Simulation komplexer Nanostrukturen

Wasserstoff ist ein ideales Material zur Energiespeicherung. Das Gas lässt sich ressourcenschonend mittels regenerativer Energiequellen herstellen und kann ohne Verbrennungsprozesse direkt elektrochemisch in elektrische Energie umgewandelt werden. Allerdings ist Wasserstoff unter Normalbedingungen ein Gas mit geringer Energiedichte, daher sind nicht nur Autohersteller weltweit auf der Suche nach effektiven Speichermöglichkeiten.

Wissenschaftler in der Fachrichtung Chemie (Physikalische Chemie) der TU Dresden arbeiten deshalb schon seit einiger Zeit an der Entwicklung neuer Festkörperspeicher, in denen sich Wasserstoff in die Zwischenräume des Gerüstmaterials anlagert. Die Eigenschaften dieser neu zu entwickelnden Werkstoffe, Kohlenstoffnanostrukturen mit geeigneten „Spacer-Molekülen“ oder die so genannten MOFs (Metal Organic Frameworks), werden am Computer simuliert, ihre Stabilität, ihre Speicherkapazität und ihre Wärmeleitfähigkeit vorhergesagt. Trotz der relativ geringen Anziehungskraft der Gerüste der Nanostrukturen auf den Wasserstoff erlauben es nanostrukturierte Materialien, nennenswerte H2-Speicherkapazitäten zu erreichen.

Die umfangreichen Berechnungen der Arbeitsgruppe wurden in den vergangenen Jahren unter anderem am damals schnellsten Supercomputer der Welt, dem „Earth Simulator“ in Yokohama (Japan), durchgeführt. Nun bietet der neue Hochleistungsrechner am Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen der TU Dresden die Möglichkeit, die Simulationen kostengünstiger und zeitnah an der eigenen Universität durchzuführen. Die in der Arbeitsgruppe entwickelte Software nutzt die Vorzüge von Supercomputern mit global verfügbarem Speicher und ist somit optimal für den Einsatz im lokalen Rechenzentrum. Denn im Gegensatz zu den weltweit immer häufiger eingesetzten Computerclustern, die aus unabhängigen Einzelrechnern zusammengesetzt sind, ermöglicht er den gleichzeitigen Zugriff seiner Prozessoren auf den gemeinsamen immensen Hauptspeicher. Erste Tests auf der neuen Maschine zeigen, dass quantenmechanische Computersimulationen von immer komplexeren Systemen mit bis zu 100.000 Atomen unter Ausnutzung der mehr als 1.800 parallel arbeitenden Einzelrechner möglich sein werden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Gotthard Seifert arbeiten gegenwärtig daran, ihre Methoden und Software an die Möglichkeiten des neuen Supercomputers anzupassen.

15 Mitarbeiter, darunter sieben Doktoranden, befassen sich in der Arbeitsgruppe mit verschiedenen neuen Speichermaterialien auf der Grundlage der Kryoadsorption. Aber auch für andere Projekte der Arbeitsgruppe, etwa die Entwicklung neuer Schmierstoffe auf der Basis von Nanostrukturen, neue Membranmaterialien für Brennstoffzellen oder Bauelemente der Nanoelektronik, wird der Hochleistungsrechner des ZIH genutzt werden.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Gotthard Seifert, Technische Universität Dresden, Fachrichtung Chemie, Physikalische Chemie, Tel. 0351 463-37637, Gotthard.Seifert@chemie.tu-dresden.de