Motorenentwicklung:Mitten im Paradigmenwechsel

Um die notwendigen Daten zu ermitteln, war bislang mühevolle Kleinarbeit nötig. Experimentell bestimmten die Forscher für jede Bindung die Reaktionsgeschwindigkeit; die Daten flossen anschließend in die Modelle ein. Bei den komplexen Molekülen der Biotreibstoffe ist solch ein Vorgehen allerdings extrem aufwendig. "Oft ist es nicht einmal möglich, alle Konstanten zu ermitteln", sagt Stephen Klippenstein, Chemiker am Argonne National Laboratory in Illinois. Die Forscher behelfen sich dann mit Abschätzungen. Oder sie interpolieren Messdaten, die bei anderen Temperaturen und Drücken gesammelt worden sind - mit entsprechend großen Unsicherheitsfaktoren.

In den vergangenen Jahren hat sich allerdings einiges getan. "Dank schnellerer Computer und eines besseren Verständnisses der Kinetik solcher Prozesse können wir die Reaktionsgeschwindigkeiten nun mit einer Genauigkeit berechnen, die an die besten Experimente heranreicht", sagt Klippenstein. So präsentiert William Green in Boston ein Computermodell, das aus dem Aufbau und den Funktionalitäten von Molekülen deren Reaktionsfreudigkeit errechnet. So lassen sich komplexe Reaktionen simulieren. Bei einfachen Molekülen mit vier Kohlenstoffatomen klappt das bereits ganz gut. Bei JP-10, einem synthetischen Treibstoff für Raketen, liegen die Ergebnisse hingegen nur manchmal richtig, häufig aber um mehrere Größenordnungen daneben. "Bei diesem riesigen Modell mit mehr als einer Million Reaktionen und 60.000 Reaktionsprodukten scheinen wir noch irgendwas zu übersehen", sagt Green.

Mitten im Paradigmenwechsel

Dennoch: Die Chemiker geben sich zuversichtlich, auf dem richtigen Weg zu sein. "Wir befinden uns mitten in einem Paradigmenwechsel. Erstmals versetzt uns die Theorie in die Lage, Reaktionsmechanismen quantitativ zu ermitteln", sagt Stephen Klippenstein. "Die große Frage ist jetzt: Wie genau sind diese Modelle?" Dabei sollen Algorithmen helfen, die intensiv erforschte Reaktionsschritte bevorzugen, weniger gut verstandene Prozesse hingegen niedriger gewichten. Letztlich bleibt aber nur der Vergleich zwischen ihrer Simulation und einem Laborversuch - und das konstante Verbessern, Testen, Annähern des Modells an die Realität.

Mit der Simulation der einzelnen Reaktionen ist es allerdings nicht getan. Treibstoff verbrennt in einem realen Motor, und der hat seine eigenen Gesetze. Während sich chemische Reaktionen auf einer Größenordnung von Millionstel Millimetern abspielen, misst eine Brennkammer mehr als zehn Zentimeter. Und während die Bewegungen von Elektronen im Bereich von Attosekunden (Millionstel einer Millionstelsekunde) liegen, erstreckt sich ein Zündvorgang über Millisekunden. Zudem kommt es zu Verwirbelungen, das Gemisch, die Temperatur und der Druck variieren. All das muss ein Modell berücksichtigen.

"Viel Arbeit liegt noch vor uns"

Die Forscher versuchen deshalb, ihren Motor in Zonen zu unterteilen, in denen regional - je nach Entfernung zur Zündung oder zum Auslassventil - vergleichbare Bedingungen herrschen. Aber auch das hilft nur bedingt. "Man kann entweder die volle Turbulenz im Raum und in der Zeit berechnen, darunter leiden aber die Feinheiten der Chemie. Oder man berechnet die volle Chemie, dann schafft man allerdings keine komplexen Strömungen", sagt Katharina Kohse-Höinghaus. Beides geht nicht. Dafür haben selbst die derzeit besten Computer nicht die nötige Rechenleistung.

Für den Einsatz in der Motorenabteilung eines Autoherstellers käme solch eine detailgetreue chemische Simulation aber ohnehin zu früh. "Es wäre vermessen anzunehmen, ein Autobauer könnte ein Modell mit 10.000 Schritten einfach in seine Maschine füttern und würde sofort erfahren, wie viel schädliches Formaldehyd aus dem Auspuff kommt", sagt Kohse-Höinghaus. Um so etwas zumindest ansatzweise möglich zu machen, müssen die derzeit noch experimentellen Modelle einfacher und robuster werden. Auch hierzu haben die Chemiker in Boston Ideen und Forschungsarbeiten gezeigt. Es sind erste Ansätze. "Viel Arbeit liegt noch vor uns", sagt William Green, "aber immerhin können wir das Ziel schon sehen."

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