Hochgenaue Simulation von elektrokinetischen Transportprozessen in Nanoporen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Holger Marschall
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509491635

Teilprojekt B3 widmet sich der detaillierten Modellierung und hochgenauen Simulation von Ionentransportprozessen in transienten Nanoporen bei angelegter Spannung. Es besteht daher eine direkte Verbindung zum Leitexperiment "Electrically Modulatable Nanopores". Der wissenschaftliche Fokus von B3 liegt auf der Entwicklung adaptiver und hybrider Ansätze, die in besonderem Maße geeignet sind, die typischerweise sehr unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen in diesen Transportprozessen zu überbrücken und die in der Regel starke Kopplung zwischen Transportmechanismen numerisch adäquat umzusetzen. Das zentrale Ziel ist es, numerische Methoden von hoher numerischer und physikalischer Güte für den Ionentransport zu entwickeln, um physikalisch genaue Lösungen zu erhalten. Dies ist von hoher Relevanz, da klassische numerische Gütekriterien (Genauigkeit, Stabilität, Konsistenz) nicht ausreichen, um zu beurteilen, wie gut die Physik des Systems durch eine bestimmte numerische Methode abgebildet wird. In der Praxis handelt es sich um ein verstecktes und subtiles Problem, da ein solches Versagen selten zu einem Abbruch der Simulationen aufgrund von Instabilitäten führt, d.h. es kann potenziell unerkannt bleiben und zu physikalisch inkorrekten, aber konvergenten Ergebnissen führen. Dieses Projekt wird dazu beitragen, das Gebiet der numerischen Methoden voranzubringen und den wachsenden Bedarf an physikalisch genauen Lösungen von Ionentransportprozessen in komplexen Systemen wie transienten Nanoporen unter einer angelegten Spannung zu adressieren. Insbesondere werden wir einen hybriden atomistisch-kontinuierlichen (HAC) Ansatz entwickeln, um Molekulardynamik (MD) und kontinuumsphysikalische Löser zu koppeln. Dies ermöglicht eine detaillierte computergestützte Untersuchung von Ionentransportprozessen in der Nähe der Porenwände, wo MD eingesetzt wird. Ein solcher Ansatz ist besonders dann von Nutzen, wenn transiente Porensysteme detailliert zu untersuchen sind, reine MD aber zu rechenintensiv wäre. Was den kontinuumsphysikalischen Löser betrifft, streben wir an, aktuellste Modellformulierungen unter Verwendung verbesserter Schließungen umzusetzen, um Effekte wie die endliche Größe und Solvatisierung von Ionen in Elektrolyten zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist ein zentrales Ziel, eine numerische Methode von hoher Güte zu entwickeln, welche die signifikante Kopplung zwischen Transportprozessen durch einen impliziten simultanen Lösungsansatz berücksichtigt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5584: Transiente Siebe