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

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Über Jahrzehnte waren Bibliotheken mit numerischen Methoden auf Groß- und Minirechnern für jeden zugänglich, der sich auf das Schreiben eigener mathematischer Modelle verstand. Aber es ging dabei um komplexe Dinge, die meist den Experten überlassen wurden und sich nicht für den Gelegenheitsanwender eigneten.

In den frühen 80er Jahren hielt der PC dank der ersten Tabellenkalkulationen – VisiCalc und Lotus 1-2-3 – Einzug in den Alltag der Chemieingenieure. Tabellenkalkulationen vereinfachten die Lösung von komplexen simultanen Gleichungssystemen erheblich, die für Anlagen-Flussschemata typisch sind, und ermöglichten Verbesserungen im Aufbau über Serien von „wenn-dann“-Berechnungen.

Flexibel und Leistungsfähig

Heute werden Tabellenkalkulationen ergänzt durch universelle Modellierungs-Umgebungen, die Flexibilität mit großer Leistungsfähigkeit vereinen. So können mathematische Funktionen ebenso wie Prozessanlagen, mechanische Geräte und elektrische Systeme modelliert werden. Für sehr komplexe Anwendungen können Universal-Simulatoren auf Hochleistungsrechner-Cluster eingesetzt werden.

Dabei nutzen sie oft sowohl die Grafikkarte als auch die Zentraleinheiten der einzelnen Server. Am anderen Ende der Bandbreite gibt es inzwischen sogar taugliche Programme für Smartphones, die lineare Gleichungssysteme lösen und grafisch aufbereiten können. Die leistungsstärksten Universal-Simulatoren bieten eine ideale Basis für den neuen Trend zur Multiskalen-Modellierung.

Wissen ist Macht: So gelingt das Molekülmodell

Computerleistung gepaart mit dem Wissen über atomare Eigenschaften und chemische Bindungen versetzt Chemiker in die Lage, die Form und chemischen Eigenschaften komplexer Moleküle vorherzusagen. Die Anwendungen in den Life Sciences sind vielfältig – von der Grundlagenforschung bis hin zur Entwicklung neuer Wirkstoffe. „Computational Chemistry“ wird außerdem zunehmend in der Materialforschung eingesetzt, um neue Produkte wie Katalysatoren, Polymere, Elektroden für Hochleistungsbatterien und Wärmedämmungen zu entwickeln und Reaktionskinetiken zu verstehen.

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