Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMDie UV-bedingte Alterung von Polymeren ist ein zentrales Problem in zahlreichen Industriezweigen – von Automobil über Verpackung bis Bauwesen. Im Projekt QPolyDeg wird erstmals Quantencomputing eingesetzt, um die molekularen Mechanismen der UV-induzierten Polymerdegradation auf quantenchemischer Ebene zu simulieren. Durch die Entwicklung neuartiger, nicht-variationeller Quantenalgorithmen sollen Energiespektren fermionischer Systeme berechnet werden, die mit klassischen Rechnern kaum zugänglich sind. Die Ergebnisse ermöglichen ein tiefgreifendes Verständnis von Alterungsprozessen und eröffnen neue Wege für die gezielte Entwicklung langlebigerer Polymerwerkstoffe.
Quantencomputing für die Simulation der UV-induzierten Polymerdegradation
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz von Polymeren ist die Alterung durch UV-Strahlung: Sie führt zu Versprödung, Verfärbung und dem Verlust mechanischer Eigenschaften, was hohe Kosten durch Materialversagen, Wartung und vorzeitigen Austausch verursacht. Ein tiefes Verständnis der molekularen Degradationsmechanismen ist der Schlüssel zur Entwicklung langlebigerer und nachhaltigerer Kunststoffprodukte – doch die zugrundeliegenden quantenchemischen Prozesse sind mit klassischen Simulationsmethoden nur unzureichend abbildbar. Hier setzt das Verbundprojekt QPolyDeg an: Es nutzt die Möglichkeiten des Quantencomputings, um die UV-induzierte Polymerdegradation erstmals auf fundamentaler quantenmechanischer Ebene zu simulieren.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM entwickelt neuartige, nicht-variationelle Quantenalgorithmen zur Berechnung fermionischer Energiespektren. Diese Algorithmen versprechen gegenüber den heute verbreiteten variationellen Ansätzen eine höhere Genauigkeit und Robustheit bei der Beschreibung elektronischer Anregungszustände, wie sie bei photochemischen Abbauprozessen eine zentrale Rolle spielen.
Auf der Basis der Projektarbeiten kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende neue FuE-Leistungen anbieten:
- Quantenchemische Simulation von Alterungs- und Degradationsprozessen in Polymeren
Vorhersage UV-induzierter Abbauprozesse auf molekularer Ebene und virtuelle Ableitung stabiler Materialrezepturen, bevor aufwendige Langzeittests durchgeführt werden. - Nicht-variationelle Quantenalgorithmen für die Materialmodellierung
Anpassung der entwickelten Quantenalgorithmen auf weitere werkstoffwissenschaftliche Fragestellungen an, etwa zur Berechnung elektronischer Eigenschaften von Funktionsmaterialien, Katalysatoren oder Halbleitern. - Bewertung des Quantencomputing-Potenzials für industrielle Werkstoffprobleme
Evaluation, bei welchen konkreten Material- und Prozessfragen Quantencomputing einen echten Mehrwert gegenüber klassischen Simulationsmethoden bietet. - Entwicklung maßgeschneiderter Quantensimulations-Workflows
Aufbau individueller Simulations-Pipelines aufbauen, die klassische und quantenbasierte Berechnungsmethoden kombinieren und so einen frühen Zugang zu den Vorteilen des Quantencomputings eröffnen.
Förderhinweis
