Neue Datenbank als Grundlage für grüneren Beton?
Forscher haben eine neue Datenbank für Molekulardynamik-Modelle geschaffen, die die Eigenschaften von Zement simulieren. Ziel ist es, Wissenschaftler und Hersteller bei der Feinabstimmung der Betonkomponente zu unterstützen und die Emissionen im Herstellungsprozess zu verringern.
Zement wird verwendet, um Beton zu binden – das weltweit meistgenutzte Baumaterial und eine bedeutende Quelle von atmosphärischem Kohlendioxid. Die Betonproduktion ist verantwortlich für mehr als 8 Prozent der Treibhausgase, die in die Atmosphäre gelangen.
Atomare Wechselwirkungen untersuchen
Die neue Datenbank trägt den Namen cemff, was für „Cement Force Fields“ bzw. Zement-Kraftfelder steht. Das Kraftfeld ist eine Sammlung von Parametern, die Forscher verwenden, um Computermodelle atomarer Wechselwirkungen zu erstellen. Einer dieser Parameter ist die innere Energie der Atome in einem Simulationssystem. Im Rahmen ihrer Forschung berechnen Wissenschaftler, wie Atome individuell und kollektiv mit ihren Nachbarn interagieren, damit die jeweiligen Eigenschaften eines Materials entstehen.
Dauerhaftere Baustoffe entwickeln
Die Anwendung präziser atomistischer Kraftfeld-Modelle ermöglicht es, Computersimulationen mit unterschiedlichen Arten von anorganischen Mineralien durchzuführen, die in Zement vorkommen. Forscher aus Wissenschaft und Industrie können sich anhand der Datenbank auf ganz unterschiedliche Kraftfeld-Typen abstützen und zuverlässige Simulationen für speziell entwickelte Zementformeln durchführen. Cemff könnte so der Industrie helfen, stärkere, dauerhaftere Baustoffe zu entwickeln, die zudem bei der Herstellung weniger CO2-Emissionen erzeugen. Emissionen, die sich in der Betonproduktion auf jährlich über 3 Mrd. Tonnen belaufen.
Interaktionen bestimmen Leistungsfähigkeit
„Die Veröffentlichung der Datenbank stellt für dieses Forschungsgebiet einen Meilenstein dar, der den Einfluss des molekularen Modellierens in der Entwicklung neuer und umweltfreundlicher Zementarten vergrößern wird“, sagt Robert Flatt, Professor der ETH Zürich und wissenschaftlicher Berater des Projektes. Insgesamt waren 15 Wissenschaftler an 11 Instituten von der ETH Zürich, der Rice University und der EPFL Lausanne für das Projekt tätig. Im Rahmen ihrer Forschung untersuchten sie, wie in der Simulation von Kraftfeld-Modellen Komponenten-Moleküle in Zement miteinander interagieren. Diese Interaktionen bestimmen die Leistungsfähigkeit von Zement und erlauben eine Feinabstimmung des Materials, sodass es jahrzehntelang leistungsfähig und auf umweltfreundliche Art und Weise eingesetzt werden kann.
CO2-Bilanz verbessern
Hauptbestandteil von Zement ist Kalziumsilikat, das mit Wasser reagiert und so das gehärtete Material bildet, das Beton seine mechanischen Eigenschaften und seine Langlebigkeit verleiht. Rund 60 Prozent der Kohlendioxidemissionen aus der Zementproduktion stammen aus dem Abbau von Kalk, der Kalziumquelle von Zement. Um die CO2-Bilanz zu verbessern, ergänzen Hersteller den Mix oft mit Lehm, Abfallmaterial wie Flugasche sowie Recycling-Material.
Im Einklang mit Big Data
Diese beeinflussen die mechanischen Eigenschaften und die Widerstandsfähigkeit des Produktes – was auch der Grund dafür ist, weshalb ein Bedarf nach Simulationen im Nanobereich besteht, die es Herstellern erlauben, Mischungen hinsichtlich ihrer Stärke und Dauerhaftigkeit zu testen, dies noch bevor überhaupt richtiger Zement hergestellt wird. „Die Datenbank steht im Einklang mit dem derzeitigen Trend zu Big Data und voraussagender computergestützter Materialwissenschaft“, sagt Rouzbeh Shahsavari von der Rice University.