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ACHEMA 2015 Trendbericht

Molekül–Modeling und Prozess–Simulation: Ersetzt der PC den Prüfstand?

| Redakteur: Lea Meißner

Es ist ein Molekül-Modell und es sieht gut aus...
Es ist ein Molekül-Modell und es sieht gut aus... (Bild: © Syda Productions - Fotolia)

Der Fortschritt der Computertechnik hat die Verfahrensentwicklung revolutioniert: Exakte Simulationen können viele Versuche und Feldtests in Produktionsanlagen ersetzen – aber schaffen sie auch den Brückenschlag zwischen Wissenschaft und Technik? Unser Trendbericht hat sich auf dem Markt für Modellinglösungen umgesehen – von den Produkten der großen Softwarehäuser bis zu Open-Source-Anwendungen.?

Mit weniger mehr erreichen: Für dieses Bestreben von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern sind Computermodelle unersetzlich. Sie sparen Kosten, beschleunigen Entwicklungsprozesse und reduzieren die Ungewissheit beim Design von Molekülen bis hin zu Prozessen. Flowsheet-Simulatoren, ein Standardwerkzeug für Chemieingenieure seit den 1990er Jahren, sind in den letzten Jahren schrittweise leistungsfähiger und benutzerfreundlicher geworden.

Computational Fluid Dynamics und Molecular Modelling haben sich dagegen deutlich stärker entfaltet und können heute einiges an experimenteller Arbeit einsparen. Open-Source-Simulatoren bieten heute in verschiedenen Bereichen eine ernstzunehmende Alternative zu kommerzieller Software, während leistungsstarke Universal-Modellierungs-Werkzeuge und „Multi-Scale“-Modelle die Grenzen zwischen verschiedenen Arten der Simulation verschwimmen lassen.

Von der Vorhersage zum Modell

Vorhersagen sind ein wichtiger Teil der wissenschaftlichen Methodik. Nur wenn wir unabhängig vom Experiment vorhersagen können, wie sich ein Prozess oder ein Molekül verhalten wird, können wir für uns beanspruchen, den Vorgang wirklich zu verstehen. Mathematische Modelle für physikalische, chemische und thermische Phänomene bilden deshalb den Kern des Ingenieurwesens, vieler chemischer Disziplinen und zunehmend auch in den Lebenswissenschaften.

Ein großer Teil der Mathematik, die den Wärme- und Massentransfer beschreibt, geht auf das 18. und 19. Jahrhundert zurück. Allerdings ist es einfacher, Differentialgleichungen aufzuschreiben, als sie zu lösen. Deshalb mussten praktische Lösungen für viele ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen warten, bis Computer in der Lage waren, „gewaltsam“ Lösungen zu liefern („numerische Methoden“).

Die IT-Revolution erreicht Labors und Ingenieurbüros

Seither haben die Fortschritte bei Rechenleistungen und in der Mathematik sowohl sehr komplexe zeitunabhängige Optimierungen ermöglicht wie etwa Proteinfaltungen, aber auch dynamische Simulation von Gasströmen, die Modellierung von Verbrennungsvorgängen und Prozessüberwachungsfunktionen (Advanced Process Control).

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