DUISBURG (ba). Wer Materialien am Computer modellieren und ihre Eigenschaften in der Realität zuverlässig voraussagen kann, spart langwierige, aufwändige Versuchsreihen und bringt neue Werkstoffe schneller an den Markt. Finanziert wird das 2008 gegründete ICAMS an der Ruhr-Universität Bochum vom Land Nordrhein-Westfalen und von einem Industriekonsortium, zu dem Bayer MaterialScience, Bayer Technology Services, Salzgitter Mannesmann Forschung, Bosch und Benteler gehören. Die Federführung liegt bei ThyssenKrupp. Entwickler der ThyssenKrupp Steel Europe AG arbeiten eng mit den Wissenschaftlern des ICAMS zusammen.

Der klassische, reduktionistische Ansatz bei der Materialentwicklung prüft zunächst, ob ein Werkstoff die gewünschten Eigenschaften hat. Ist das nicht der Fall, ändert man die Zusammensetzung und prüft erneut. Man geht also jeweils auf eine kleinere Dimension zurück, um Veränderungen in einer größeren Skala herbeizuführen. Das ICAMS beschreitet den umgekehrten Weg: Es beginnt bei der atomaren Zusammensetzung und entwickelt von hier aus ein Material mit den benötigten Eigenschaften.

Grundlage ist die Quantenmechanik, die Naturgesetze, mit denen man die Eigenschaften chemischer Bindungen zwischen Atomen berechnen kann. Auf dieser Basis lassen sich Werkstoffe gewissermaßen Atom für Atom am Rechner zusammensetzen. Von da aus lassen sich Rückschlüsse auf die Struktur eines Materials auf der Mikrometer-Ebene ziehen und mit Hilfe der Mikrostruktur sind Aussagen über das makroskopische Verhalten, das Verhalten des Werkstoffs in der Realität, möglich. Am ICAMS nennt man dieses Vorgehen Multiskalenmodellierung.

An dem Bochumer Institut arbeiten auf die atomare Dimension spezialisierte Physiker und Chemiker, auf der Mikroebene erfahrene Werkstoffwissenschaftler und Ingenieure als Spezialisten für das Verhalten der fertigen Werkstoffe und Werkstücke zusammen. Zudem wächst am ICAMS eine neue Generation von Werkstoffingenieuren heran, die die multiskalige Beschreibung von Werkstoffen von vornherein verinnerlicht haben. Sie studieren ein neues Fach namens ‚Materials Science and Simulation‘. Auf dem Wege der Multiskalenmodellierung lässt sich unter anderem die Bewegung der Atome in einzelnen Kristallen, wenn auf diese Druck ausgeübt wird, simulieren und vorhersagen. Metalle setzen sich aus Kristallen zusammen. Mit den Ergebnissen lässt sich das Umformverhalten von Metallen besser verstehen und vor allem der Einfluss, den verschiedene Gefügebestandteile darauf ausüben. Dieser Frage am realen Material nachzugehen, ist auch möglich, aber vergleichsweise umständlich: Man benutzt dazu einen so genannten Nanoindenter, das ist ein Prüfgerät mit einer Diamantspitze, das man an einzelne der nur Mikrometer großen Kristalle ansetzen kann. Aber das Verfahren liefert weniger detaillierte Daten als die Computersimulation, für die am ICAMS unter anderem ein mehrere Tonnen schweren Großrechner mit einigen tausend Prozessorkernen und fast vier Terabyte Arbeitsspeicher bereitsteht.

Ein weiteres Beispiel der Arbeit des ICAMS betrifft die Diffusion von Wasserstoff in Eisen. Dieses Element ist bei der Stahlherstellung ausgesprochen ungern gesehen, weil es den Werkstoff spröde und brüchig machen kann. Unterschiedliche Positionen von Wasserstoffatomen im Kristallgitter werden am ICAMS durchgespielt und dokumentiert, welche Energie sie an den Positionen haben. Daraus lässt sich ablesen, wie Legierungselemente das Verhalten von Wasserstoff beeinflussen oder wie ein Fertigungsprozess so gesteuert werden kann, dass kein Wasserstoff innerhalb des Materials freigesetzt wird. Auch die Beschichtung von Stahl lässt sich simulieren, so dass unter anderem vorhersagbar wird, wie rau eine Stahloberfläche sein muss, damit Lack optimal haftet. Auf Mikrometer-Ebene simuliert das ICAMS, mit welcher Geschwindigkeit sich bestimmte Gefügebestandteile von Stahl unter Temperatureinfluss in andere Gefügebestandteile umwandeln. In der herkömmlichen Stahlentwicklung müsste man hierfür einen hohen experimentellen Aufwand mit vielen Wiederholungen und zahlreichen Proben treiben.

Eine wesentliche Ergänzung ist die Arbeit am ICAMS, weil sie den Aufwand für die Entwicklung neuer Werkstoffe nachhaltig verringert. Wenn man das Spektrum der Möglichkeiten durch Modellierung und Simulation von vornherein auf die vielversprechendsten Varianten einengen kann, dann spart das Zeit und Geld für Messungen, für Experimente, für Proben und Probedurchläufe. ICAMS trägt dazu bei, möglichst rasch aus der Vielzahl der Möglichkeiten die richtige Wahl zu treffen: bei Stahl und anderen Metallen, oder auch bei Glas oder Kunststoff.