Wetenschap
Moleculaire simulaties van ammoniakmengsels ondersteunen de zoektocht naar hernieuwbare brandstoffen
Ammoniak (NH3 ) is een belangrijk molecuul met veel toepassingen. Het is het eindproduct van het beroemde Haber-Bosch-proces en wordt gewoonlijk gesynthetiseerd om stikstof op te vangen voor kunstmest, en wordt gebruikt voor koeling, in schoonmaakproducten en bij de productie van farmaceutische producten. Onlangs heeft dit bescheiden molecuul ook belangstelling gekregen als een potentiële hulpbron voor het aanpakken van een van de meest urgente uitdagingen van vandaag:de behoefte aan betrouwbare en overvloedige hernieuwbare brandstoffen.
Ammoniak is stabiel en veilig in gebruik, is brandbaar en bevat de grootste fractie waterstof van alle moleculen, behalve pure waterstof zelf. Deze factoren beloven dat het een haalbaar alternatief zal worden voor de op koolstof gebaseerde energiedragers die de klimaatverandering veroorzaken. Er is onderzoek begonnen om te onderzoeken hoe ammoniak kan worden gebruikt om bijvoorbeeld motoren, gasturbines en waterstofbrandstofcellen rechtstreeks aan te drijven. Er wordt ook aangenomen dat ammoniak kan worden gebruikt om energie op te slaan voor tijden waarin andere hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie niet aan de vraag kunnen voldoen.
Er is veel bekend over ammoniak, maar deze interesse om het als brandstof te gebruiken heeft een zoektocht naar nieuwe ammoniaktechnologieën op gang gebracht. Dit heeft op zijn beurt geleid tot een grotere behoefte onder chemische ingenieurs aan nauwkeurige gegevens die de fundamentele thermodynamische eigenschappen van ammoniak beschrijven. Dergelijke eigenschappen omvatten bijvoorbeeld een grote verscheidenheid aan meetbare eigenschappen, zoals fase-evenwichten, dichtheid of warmtecapaciteit, die fysieke systemen karakteriseren en bepalen hoe chemische processen werken. In het geval van ammoniak zouden ingenieurs ook graag beter weten hoe dergelijke eigenschappen veranderen bij het mengen van ammoniak met andere moleculen. Dergelijke kennis zou hen kunnen helpen processen en bedrijfsomstandigheden te optimaliseren.
Dr. Jadran Vrabec, momenteel directeur van het Instituut voor Proceswetenschappen aan de Technische Universiteit van Berlijn, heeft een groot deel van zijn carrière gebruik gemaakt van high-performance computing (HPC) om thermodynamische eigenschappen op moleculair niveau te onderzoeken. "Thermodynamische eigenschappen worden voor 100% bepaald door moleculaire interacties", legt hij uit. "En omdat deze interacties zo snel en op zo'n kleine schaal plaatsvinden, is het alleen mogelijk om ze te bestuderen door grote simulaties uit te voeren met behulp van supercomputers."
In een recent artikel gepubliceerd in het Journal of Chemical &Engineering Data , hij en co-auteur Erich Mace van de TU Berlijn rapporteren over de resultaten van simulaties gericht op de thermodynamische eigenschappen van mengsels die ammoniak bevatten. Hun resultaten, geproduceerd met behulp van de Hawk-supercomputer in het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), voegen waardevolle gegevens toe die de ontwikkeling van nieuwe toepassingen van ammoniak zouden kunnen ondersteunen. De resultaten kunnen ook helpen bij het beoordelen van de nauwkeurigheid van andere bestaande gegevens, zodat ingenieurs over de best beschikbare informatie beschikken om met de stof te werken.
Grootschalige simulaties bieden unieke inzichten in thermodynamische eigenschappen
Vrabec is een oude gebruiker van HLRS-supercomputerbronnen voor moleculaire dynamica en Monte Carlo-simulaties. Zijn aanpak is gebaseerd op concepten van de thermodynamica die voor het eerst werden geformuleerd door Ludwig Boltzmann in de 19e eeuw, maar pas in de jaren vijftig praktisch toepasbaar werden met de komst van de eerste computers. Sindsdien heeft het vakgebied zich parallel ontwikkeld met de ontwikkeling van grotere en snellere supercomputers, tot het punt dat de simulaties van Vrabec nu de individuele bewegingen en interacties van miljarden of zelfs biljoenen moleculen tegelijkertijd volgen. Met behulp van software die zijn laboratorium heeft ontwikkeld om selectief interessante gegevens vast te leggen, kan hij vervolgens de thermodynamische eigenschappen van de moleculen bestuderen.
Vrabec gebruikt twee simulatiecodes genaamd ms2 en ls1, die hij heeft ontwikkeld en geoptimaliseerd in de loop van een lange en vruchtbare samenwerking met HLRS-stafleden Martin Bernreuther en Christoph Niethammer. In 2019 vestigde het team zelfs een wereldrecord voor het grootste moleculaire systeem dat ooit is gesimuleerd met behulp van moleculaire dynamische methoden. Met behulp van ls1 hebben ze hun code efficiënt geschaald naar een systeem van 21 biljoen atomen waarin elk individueel molecuul en zijn interacties met andere moleculen konden worden gevolgd.
In het recente werk over ammoniak voerden Mace en Vrabec moleculaire dynamica en Monte Carlo-simulaties uit met behulp van ms2 om vijf veelgebruikte mengsels met ammoniak in chemische technische processen te onderzoeken:argon-ammoniak, methaan-ammoniak, waterstof-ammoniak, stikstof-ammoniak en zuurstof. –ammoniak. Voor elk mengsel genereerden de simulaties gegevens die het damp-vloeistofevenwicht (VLE) beschrijven – een meting van de verdeling van moleculen in een systeem over de damp- of vloeistoffasen – voor een breed scala aan temperaturen en drukken.
In hun artikel wijzen Mace en Vrabec erop dat ELE-gegevens vaak worden gebruikt bij het ontwikkelen van toestandsvergelijkingen voor industriële vloeistoffen; dat wil zeggen dat de gegevens kunnen worden gebruikt om de toestand van materie onder verschillende fysieke omstandigheden te voorspellen als gevolg van veranderingen in temperatuur, druk, volume of samenstelling. Dergelijke informatie is essentieel voor het bepalen van optimale mengsels en arbeidsomstandigheden in industriële toepassingen.
De moleculaire simulaties van Vrabec zijn bijzonder waardevol omdat ze kunnen worden gebruikt om een veel breder scala aan schalen te onderzoeken dan mogelijk is met experimentele benaderingen.
"In onze simulaties hebben we metingen verricht van thermodynamische eigenschappen, zelfs tot drukken van 50 megapascal. Dit is 500 maal onze omgevingsluchtdruk", merkt Vrabec op. "Hoewel gegevens over ammoniakmengsels al meer dan een eeuw worden verzameld, is de dekking van de gegevens verrassend beperkt. De reden is dat de inspanning om het experimenteel te meten onbetaalbaar groot is. Er zou dure speciale apparatuur voor nodig zijn die gevaarlijk zou zijn om te gebruiken." computersimulaties kunnen we veilig en relatief goedkoop resultaten behalen." Zijn methoden bieden ook een nauwkeurigheidsniveau dat vergelijkbaar is met dat van experimentele benaderingen in gebieden waar experimentele gegevens beschikbaar zijn.
Betere gegevens voor ammoniakonderzoek
Toen Mace en Vrabec hun simulatiegegevens analyseerden, toonden ze aan dat hoewel ammoniak een component is in alle vijf de systemen die ze bestudeerden, de resulterende grafieken van VLE-waarden er dramatisch anders uitzien voor verschillende moleculaire mengsels. Volgens Vrabec wordt "het fasegedrag van verschillende mengsels sterk bepaald door de interacties tussen de moleculen in het systeem. Je moet deze eigenschappen begrijpen als je geïnteresseerd bent in het werken met ammoniakmengsels."
Het artikel en de aanvullende gegevens bieden meer dan 400 nieuwe gegevenspunten voor elk mengsel dat ze hebben bestudeerd. Met behulp van Hawk konden ze de resultaten van elk mengsel binnen slechts een paar dagen rekentijd produceren. De resultaten zullen van bijzondere waarde zijn voor extreme, moeilijk te bestuderen omstandigheden waarvoor weinig gegevens beschikbaar zijn, en kunnen ingenieurs helpen bij het identificeren van goede plekken waar de omstandigheden optimaal zouden zijn voor een efficiënte verwerking van ammoniak.
De studie omvatte zowel nieuwe simulatiegegevens als eerder gepubliceerde gegevens uit de wetenschappelijke literatuur, waardoor Mace en Vrabec hun resultaten konden vergelijken met andere bestaande datasets van ELO-waarden. In de meeste situaties kwamen hun resultaten nauw overeen met die uit eerdere onderzoeken. In sommige gevallen ontdekten ze echter aanzienlijke verschillen tussen hun resultaten en de experimenteel gegenereerde metingen en voorspellingen van andere onderzoeksgroepen. De auteurs schrijven deze discrepanties toe aan beperkingen of onnauwkeurigheden in de overeenkomstige experimentele methoden. Ze suggereren ook dat specifieke experimentele gegevensbronnen met voorzichtigheid moeten worden gebruikt in toekomstig onderzoek of toepassingen in de chemische technologie.
Vrabec zegt dat hij zich in recent werk vooral heeft gericht op het simuleren van thermodynamische eigenschappen van moleculaire systemen, doorgaans op submicrometerschaal. Ondanks de vele ordes van grootte die tussen deze schaal en het niveau van waarneembare processen liggen, bestaan er nauwkeurige methoden om deze inzichten op moleculair niveau te vertalen naar bruikbare voorspellingen uit de echte wereld.
Naarmate supercomputers groter worden, verwacht hij echter dat het ook mogelijk kan worden om niet alleen eigenschappen, maar ook thermodynamische processen te simuleren met behulp van randvoorwaarden die dicht bij toepassingen in de echte wereld liggen. Verbeterde HPC-prestaties kunnen nauwkeurigere resultaten opleveren over dynamische verschijnselen met een betere signaal-ruisverhouding.
In de tussentijd demonstreren de resultaten van zijn team echter de waarde van moleculaire dynamica en Monte Carlo-simulatie met behulp van high-performance computing, en zullen ze nieuw inzicht verschaffen in fasegedrag dat ingenieurs kunnen gebruiken om nieuwe op ammoniak gebaseerde technologieën te ontwikkelen.