Magazin
AM Business
Info Guide
Directories
Events
Jobs
ORNL-Forschende setzten Molekulardynamiksimulationen, Exascale-Computing, Labortests und Analysen ein, um die Entwicklung einer energiesparenden Methode zur Herstellung von Nanocellulosefasern zu beschleunigen. Dieses starke, leichte Material eignet sich ideal für den 3D-Druck von nachhaltigen Wohnräumen, Fahrzeugen und Komponenten für saubere Energie.
Die Forschenden nutzten eine Lösung aus Natriumhydroxid und Harnstoff in Wasser, um den Fibrillationsprozess effizienter zu gestalten. Fibrillation ist der Vorgang, bei dem Zellulose in Nanofibrillen aufgespalten wird, ein traditionell energieintensiver Prozess. Durch die neue Methode lassen sich die Produktionskosten senken, was die Herstellung von Nanocellulose für den Einsatz in der Industrie attraktiver macht. Laut den Forschenden könnten die Stromkosten um bis zu 777 Kilowattstunden pro Tonne Nanofibrillen reduziert werden, was dem monatlichen Stromverbrauch eines Haushalts entspricht.
„Diese Simulationen, bei denen jedes einzelne Atom und die Kräfte zwischen ihnen betrachtet werden, geben einen detaillierten Einblick nicht nur in die Frage, ob ein Prozess funktioniert, sondern auch warum er funktioniert“, sagte der Projektleiter Jeremy Smith, Direktor des CMB und Inhaber eines UT-ORNL-Governor’s Chair.
Die Simulationen, die auf dem Frontier-Exascale-Computing-System durchgeführt wurden, ermöglichten es den Wissenschaftlern, die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmitteln und Zellulose auf atomarer Ebene zu verstehen. Dadurch konnte die beste Lösung für die Vorbehandlung identifiziert werden, was den Energiebedarf im Vergleich zur Verwendung von Wasser allein deutlich senkte.
„Wir haben uns auf den Abtrennungs- und Trocknungsprozess konzentriert, da dies die energieintensivste Phase bei der Herstellung von Nanocellulosefasern ist“, sagte Monojoy Goswami von der ORNL-Gruppe Carbon and Composites. „Mit Hilfe dieser Molekulardynamiksimulationen und unserer Hochleistungsrechner an der Frontier konnten wir schnell das erreichen, wofür wir in Versuchen und Experimenten vielleicht Jahre gebraucht hätten.“
Die gewonnenen Nanocellulosefasern wiesen ähnliche mechanische Eigenschaften wie konventionell hergestellte Fasern auf, zeigten jedoch eine effizientere und umweltfreundlichere Produktion.
„Wenn wir unser Fachwissen in den Bereichen Berechnungen, Materialwissenschaft und Fertigung sowie unsere nanowissenschaftlichen Werkzeuge am ORNL mit den Kenntnissen über forstwirtschaftliche Produkte an der University of Maine kombinieren, können wir einen Teil des Ratespiels aus der Wissenschaft nehmen und gezieltere Lösungen für Experimente entwickeln“, sagte Soydan Ozcan, Leiter der Gruppe für nachhaltige Fertigungstechnologien am ORNL.
Das Projekt wird vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy unterstützt und zielt darauf ab, nachhaltige biomaterialbasierte Lösungen für die industrielle Fertigung zu entwickeln.
