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Projekt
Untersuchung der thermischen Transporteigenschaften von Mineralen des unteren Erdmantels mittels atomischer Simulationen
Antragsteller
Professor Dr. Sandro Jahn
Fachliche Zuordnung
Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521315979
Der Wärmefluss durch die Kern-Mantel-Grenze (CMB) ist einer der zentralen Prozesse im Zusammenhang mit der Erzeugung des Magnetfeldes der Erde und der zeitlichen Entwicklung des Erdkerns. Die Menge der übertragenen Wärme wird durch die thermischen Transporteigenschaften der jeweiligen Materialien, die bisher nur unzureichend für CMB-Bedingungen untersucht wurden, bestimmt. In diesem Projekt werden numerische Simulationen auf atomarer Ebene durchgeführt um die Wärmeleitfähigkeit von Materialien des untersten Erdmantels vorherzusagen. In der ersten Förderperiode des DeepDyn-SPPs liegt der Schwerpunkt auf der Bestimmung des Phononenanteils an der Wärmeleitfähigkeit von (Mg,Fe)O-Ferroperiklas, Fe- und Al-haltigem MgSiO3-Bridgmanit und Post-Bridgmanit sowie CaSiO3-Perowskit. Die wichtigsten Forschungsziele für diese Projektphase sind (1) die Quantifizierung der Verringerung der Wärmeleitfähigkeit durch Massenunordnung in den Mischkristallen bei Bedingungen des unteren Erdmantels und (2) ein besseres Verständnis der Unsicherheiten, die sich aus dem spezifischen numerischen Algorithmus zur Ableitung der Wärmeleitfähigkeit und aus den in den Simulationen verwendeten atomaren Wechselwirkungspotenzialen ergeben. Verschiedene atomskalige Simulationsmethoden, wie die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Molekulardynamik-Simulation oder die Lösung der Boltzmann-Transportgleichung, werden für die hier untersuchten Materialien und thermodynamischen Bedingungen systematisch verglichen und bewertet. Mit der Parametrisierung polarisierbarer ionischer Wechselwirkungspotentiale wird eine zusätzliche Methode zur Modellierung der Mischkristalle bereitgestellt. Es wird erwartet, dass diese neuen Potenziale realistischere Vorhersagen treffen als bestehende Kraftfelder. Gleichzeitig sind sie aber wesentlich effizienter als rechenintensive ab initio-Simulationen, die bislang fast ausschließlich für Mg-Endglieder angewendet wurden und hier vor allem als Referenz für die neuen Potenziale dienen. Die Ergebnisse der Simulationen sollen im Weiteren dazu verwendet werden die Wärmeleitfähigkeit der unteren Erdmantel-Minerale als Funktion des Drucks, der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung zu parametrisieren sowie ein verbessertes Modell des Wärmeflusses durch den CMB zu entwickeln.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
