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World Community Grid/The Clean Energy Project

Aus SETI.Germany Wiki

The Clean Energy Project (Phasen 1 und 2)
The Clean Energy Project (Phasen 1 und 2)
Ziel:Finde günstiges Material zur Solarenergiegewinnung
Kategorie:Physik
Hauptprojekt:World Community Grid
Homepage:http://www.worldcommunitygrid.org/
Betreiber:Harvard University Vereinigte Staaten von Amerika
Status:produktiv
Projektadressen
Forum:The Clean Energy Project (Phasen 1 und 2) Forum
SETI.Germany
Team-Statistik:The Clean Energy Project (Phasen 1 und 2)
Teambeitritt:SETI.Germany beitreten
Teamwerbung:Für The Clean Energy Project (Phasen 1 und 2) werben
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Forenthread:SETI.Germany Forum
Workunit
Frist:10 Tage
Laufzeit:
  • ~ 5 h
    (i7 920 (inkl. HT))
  • 12 Stunden
    (i7 860)
Betriebssysteme:Linux 32 Bit Mac OS (Intel) Windows 32 Bit
Bildschirmschoner:Vorhanden
Checkpoints:Vorhanden

Es werden nur 15 Checkpoints gesetzt, die zufällig verteilt sind. Beim Ausschalten des PCs kann es deswegen zum Verlust von einigen Stunden Rechenzeit kommen. Es bietet sich daher an, den PC lediglich in den Standby bzw. Ruhezustand zu versetzen.

Außerdem sind viele Festplattenzugriffe beim Berechnen notwendig. Wenn die Festplatte zu stark belastet wird (z.B. gleichzeitiges Entzippen großer Dateien), wird die Berechnung neu ab letztem Checkpoint gestartet und es erscheint folgende Nachricht im BOINC-Manager (exited with zero status but no 'finished' file).

The Clean Energy Project (Phasen 1 und 2) verfolgt zweierlei Ziele:

1. neue Materialien für die nächste Generation von Solarzellen zu finden, die aus günstig herzustellendem organischen Material bestehen sollen und

2. Material für günstige Energiespeicher zu finden.

Das Projekt wird innerhalb des World Community Grids von der Harvard Universität durchgeführt.


Projektstatus und Resultate

„The Clean Energy Project“ ist ein Mehrphasenprojekt. Phase 1 wurde zwischen dem 5. Dezember 2008 und dem 12. Oktober 2009 berechnet. Mehr als 2000 Jahre Rechenzeit wurden gespendet, bis Phase 1 zum Abschluss gebracht wurde. Am 28. Juni 2010 wurde Phase 2 des Projektes gestartet.

Konkrete Projektergebnisse können nach Auswertung der Ergebnisse der Phase 2 sowie nachfolgenden Labortests erwartet werden.

Statusberichte und detaillierte Informationen über dieses Projekt werden in diesem Wiki und auf weiteren Webseiten bereitgestellt, insbesondere durch die Projektwissenschaftler auf der Website des Clean Energy Project. Wenn Sie Kommentare oder Fragen zu diesem Projekt haben, besuchen Sie bitte auch das Forum „The Clean Energy Project - Phase 2“ des World Community Grids oder die WCG-Projektthreads im Forum von SETI.Germany.


Mission

Das Ziel des Projektes ist, neue Materialien für die Solarzellen der nächsten Generation und neuer Energiespeicher zu finden. Durch die große Rechenleistung des World Community Grid können Forscher die elektrischen Eigenschaften einiger Hunderttausend organischer Materialien berechnen. Damit können aussichtreiche Materialien zur Herstellung preiswerter Solarenergietechnik bestimmt werden.


Bedeutsamkeit

Wir leben im Energiezeitalter. Die heutige Energiewirtschaft, die zumeist auf Verbrennung fossiler Energieträger beruht, muss durch eine Energiewirtschaft der erneuerbaren Energien abgelöst werden. Die Herausforderungen zu diesem Richtungswechsel sind gewaltig, aber die Chemie kann bei der Suche nach neuen Materialen zur Nutzung der Solarstrahlung sowie bei der Speicherung und Rückgewinnung der Energie helfen.

Das „Clean Energy Project“ nutzt die Chemische Informatik sowie die Methode des Verteilten Rechnens, um die besten Moleküle zur Erreichung der Ziele zu bestimmen:

  • Finden von Materialien für preisgünstige organische Photovoltaikanlagen,
  • Entdeckung neuer Polymere für die Membranen in Brennstoffzellen zur Energierückgewinnung,
  • Entwicklung von Verfahren zur richtigen Zusammensetzung der Moleküle, um die beiden erstgenannten Technologien herstellen zu können.


Vorgehen

Es werden Berechnung der Molekularmechanik und Kalkulationen der elektronischen Struktur von Materialien durchgeführt, um die optischen und elektrischen Transporteigenschaften von Molekülen vorherzusagen, die für zukünftige solartechnische Anlagen eingesetzt werdenn könnten.


Vorgehen in Phase 1

In Phase 1 wurden molekularmechanische Berechnungen durchgeführt. In dieser Phase fokussierten sich die Berechnungen darauf, die notwendige Zusammensetzung für hypothetische Materialien zu verstehen, um daraus feste Stoffe bilden zu können (z.B. Kristalle, Membranen oder Polymere). Außerdem sollten die Berechnungen eine Vorhersage liefern, ob diese Stoffe die richtigen elektronischen Eigenschaften besitzen würden, um daraus solartechnische Geräte herstellen zu können.

Für diese Berechnungen wurde die Software CHARMM genutzt, ein Softwarepaket der Harvard Universität zur Berechnung molekularmechanischer Eigenschaften.


Vorgehen in Phase 2

In Phase 2 werden Berechnungen der elektronischen Struktur durchgeführt. Jeder der möglichen Kandidaten für neue Materialien wird mit Hilfe quantenmechanischer Berechnungen genauer untersucht. Insbesondere müssen optische, elektrische und andere Eigenschaften jedes Materials durch die Berechnungen genauer als in Phase 1 vorhergesagt werden.

Die Vorhersagen werden mit der Software „Q-Chem“ durchgeführt, die solche quantenmechanischen Berechnungen ermöglicht. Die Software stammt vom Unternehmen Q-Chem Inc., USA.

Ergebnis der Phase 2 ist eine Datenbank, in welcher die Eigenschaften aller berechneten Stoffe aufgelistet sind. Diese Datenbank wird direkt als Informationsquelle von Forschergruppen genutzt, die mit der Entwicklung innovativer solartechnischer Anlagen befasst sind.

Checkpoints in Phase 2

Allgemeiner Erklärung

Da es sich bei allen Berechnungen um Vielteilchenprobleme handelt, kann die Energie des Testmoleküls und annähernd genau bestimmt werden. Sie wird daher mit verschiedenen Methoden berechnet. Je nach Effizienz und Genauigkeit der Methode ergeben sich unterschiedlich lange Berechnungsdauern. Dies lässt die Checkpoint-Setzung willkürlich erscheinen.


Vereinfachte naturwissenschaftliche Erklärung

Die elektronische Struktur der Testmoleküle wird mit verschiedenen Methoden berechnet. Dabei kommen neben den verschiedenen Methoden auch unterschiedliche Funktionale und Basissätze (i.e. mathematische Beschreibung von besetzten und virtuellen Molekülorbitalen) zum Einsatz. Da es sich die potentielle Energie eines Moleküls nur mit numerischen Methoden hinreichend genau bestimmen lässt, hängt die Berechnungsdauer von der Kombination Methode - Funktional - Basissatz und dem Konvergenzwert ab. Hinzu kommt, dass bei diesem Projekt eine Workunit aus 15 Singlepoint-Rechnungen und einer Optimierungs-Rechnung besteht. Bei den Singlepoints wird nur die elektronische Struktur bis zu einem bestimmten Konvergenz-Wert berechnet. Da mehrere Werte kovergieren müssen, können hier durchaus auch mehrere Zyklen notwendig werden. Im Gegensatz dazu wird bei der Optimierung die Geometrie (Bindungslänge und -winkel) und somit die Lage des Moleküls auf der Potential-Hyperfläche leicht verändert. Bei der Geometrieoptimierung wird es auf der Potential-Hyperfläche so bewegt, dass es in das nächste energetische Minimum fällt. Es wird solange eine Geometrieoptimierung durchgeführt, bis die vorgegebenen Konvergenzwerte erreicht sind. Im Folgenden sind zwei in der Theoretischen Chemie häufig verwendete Methoden aufgeführt.

  • a) Hartree-Fock-Methode (HF): Die ist eine ab-initio-Methode, dass heißt sie benötigt zur Lösung nur Naturkonstanten und natürlich die Geometrie des Testmoleküls. Die Wellengleichung wird mit Hilfe von Slater-Determinanten gelöst.
  • b) Dichtefunktionaltheorie (DFT): Der große Vorteil der DFT beruht in ihrer Eigenschaft, dass es mit ihr nicht notwendig ist die vollständige Schrödinger-Gleichung für ein Mehrelektronen-Problem zu lösen. Es wird der Grundzustands des Moleküls bestimmt, der auf der ortsabhängige Elektronendichte beruht. Dadurch liefert sie unmittelbar die Gesamtenergie für eine Atomkonfiguration.


Statistik

WCGCEPProdChart.png

Mit bestem Dank an Sekerob.