World Community Grid/Computing for Clean Water

Computing for Clean Water
Ziel:	Rechne für sauberes Wasser
Kategorie:	Physik
Hauptprojekt:	World Community Grid
Homepage:	http://www.worldcommunitygrid.org
Betreiber:	Centre for Novel Multidisciplinary Mechanics (CNMM) an der Tsinghua University, Peking
Status:	inaktiv/beendet
SETI.Germany
Forenthread:	SETI.Germany Forum

Beim Computing for Clean Water-Projekt werden Erkenntnisse in molekularem Maßstab über den Fluss von Wasser durch neuartige Filter gewonnen. Diese Erkenntnisse sollen richtungsweisend für die Entwicklung effektiver und preisgünstiger Wasserfilter sein.

Das Projekt wird innerhalb des World Community Grids durchgeführt.

Projektstatus und Resultate

Das Projekt wurde am 23.08.2010 gestartet. Ein Statusreport und detaillierte Informationen über dieses Projekt werden in diesem Wiki und auf weiteren Webseiten bereitgestellt, insbesondere durch die Projektwissenschaftler auf der Website C4CW-News. Wenn Sie Kommentare oder Fragen zu diesem Projekt haben, besuchen Sie bitte die „Active Research“-Sektion im Forum des World Community Grid oder die WCG-Projektthreads im Forum von SETI.Germany. Nach der Berechnung von sechs Zielstrukturen wurde das Projekt im August 2012 vorerst pausiert. Die beteiligten Wissenschaftler von der Tsinhua University evaluieren die bisherigen Ergebnisse und entscheiden anschließend, wie das Projekt fortgesetzt wird

Mission

Die Mission von „Computing for Clean Water“ ist es, tiefere Erkenntnisse zur Ursache des Flusses von Wasser durch neuartige Filter zu gewinnen. Die Berechnungen hierzu werden auf molekularer Ebene durchgeführt.

Diese Erkenntnisse sollen als Grundlage für die Entwicklung effizienterer und preisgünstiger Wasserfilter dienen.

Bedeutsamkeit

Mangelnder Zugang zu sauberem Trinkwasser ist eine der größten humanitären Herausforderungen in den Entwicklungsländern der Welt. Es wird geschätzt, dass für 1,2 Milliarden Menschen die Versorgung mit sauberem Trinkwasser nicht gesichert ist und 2,6 Milliarden Menschen keine oder nur geringe Gesundheitsversorung genießen.

Millionen Menschen sterben jährlich aufgrund der Übertragung von Krankheiten durch verschmutztes Wasser - darunter schätzungsweise 3900 Kinder pro Tag!

Sauberes Wasser wird oft mit Erdöl verglichen: Beides sind begrenzte Ressourcen, mit denen in den vergangenen Jahrzehnten ein verschwenderischer Umgang praktiziert wurde. Außerdem wird die Produktion beider Ressourcen immer teurer. Die Vorräte sauberen Wassers, speziell der unterirdischen Vorkommen, sind in den letzten Jahren in vielen Teilen der Welt auf alarmierende Weise zurückgegangen. Da die Weltbevölkerung stark wächst, wird sich die die Situation zukünftig noch verschärfen.

Einer Studie zufolge, die kürzlich im „The Economist“ veröffentlicht wurde, lebte zu Beginn des 21. Jahrhunderts 8% der Weltbevölkerung in Gebieten mit Wasserknappheit. Bis zum Jahr 2050 kann sich dieser Anteil auf 45% der Weltbevölkerung steigern - das wären zu diesem Zeitpunkt circa 4 Milliarden Menschen.

Der größte Teil der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt, doch 97% davon sind Salzwasser. Von den verbleibenden 3% Süßwasser sind 70% durch Eis an beiden Erdpolen gebunden. Mit Ausnahme maritimer Lebensformen müssen somit alle Lebewesen der Erde einschließlich der Menschen mit 1% des auf der Erde vorhandenen Wassers leben.

Es existieren zwar Technologien zur Filterung verschmutzten Wassers, aber deren Nutzung ist sehr teuer. Die Meerwasserentsalzung, eine potenzielle Quelle zur Gewinnung von Trinkwasser in großem Maßstab, ist ebenfalls sehr teuer und verlangt zudem den Einsatz bedeutender Energiemengen.

Deshalb sind neue Ansätze zur Wasserfilterung Gegenstand intensiver Forschung geworden. Klassische Reinigungsverfahren beinhalten verschiedene Schritte, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen: Physikalische Methoden (z.B. Sandfilter), der Einsatz chemischer Mittel (z.B. Chlor) und sogar biologische Methoden (Reinigung durch Nutzkeime).

Nano-Röhrchen aus Kohlenstoff haben das Potenzial, die Wasserreinigung einschließlich Entsalzung in nur einem Schritt durchzuführen: Die Nano-Röhrchen, die in Gruppen angeordnet sind und durch deren Länge das zu filternde Wasser gepresst werden muss, sind eine neue Idee dieses Forschungszweiges zur Filterung von Wasser. Dieser Ansatz wird durch das Projekt „Computing for Clean Water“ unterstützt.

Vorgehen

Lange Zeit gingen Wissenschaftler davon aus, dass die extrem kleinen Durchmesser von Nano-Röhrchen (mit der Breite nur weniger Wassermoleküle) einen immensen Druck und somit teure Anlagen verlangen würden, um sinnvoll nutzbare Wassermengen filtern zu können. Experimente aus dem Jahr 2005 haben jedoch gezeigt, dass Gruppierungen von Nano-Röhrchen einen deutlich besser als erwarteten Wasserdurchfluss erlauben. Dieses überraschende Ergebnis führte dazu, dass sich zahlreiche Wissenschaftler auf die grundlegenden Prozesse des Flusses von Wasser durch Nano-Röhrchen konzentrierten.

Abbildung 1: Modell eines Nano-Röhrchens aus Kohlenstoff

Dieses Projekt nutzt weitreichende Berechnungen molekularer Dynamik, in denen die Bewegungen individueller Wassermoleküle durch ein Nano-Röhrchen simuliert werden. Ziel dieser Berechnungen ist es, tiefere Erkenntnisse zum Mechanismus des Wasserflusses durch Nano-Röhrchen zu erhalten. Beispielsweise wird spekuliert, ob sich Wasser in Nano-Röhrchen eher wie Eis verhält. Dieses würde Friktionen der Wassermoleküle untereinander minimieren und somit zu dem guten Wasserdurchfluss führen, der nach den Experimenten von 2005 über den damaligen Erwartungen liegt. Realistische Computersimulationen wie im Projekt „Computing for Clean Water“ sind ein Weg, um solche Hypothesen zu untersuchen. Letztendlich erhoffen sich die Wissenschaftler, dass die gewonnen Erkenntnisse aus den Simulationen zur Optimierung der Prozesse genutzt werden können, die zum besseren Fluss von Wasser durch Nano-Röhrchen oder nanoporöser Materialen führen. Außerdem sollen die Simulationen die Definition der Eigenschaften von Nanofiltern zum Zweck der Wasserentsalzung unterstützen.

Details zum Projekt

Wasserfilterung unter Druck

Übliche Verfahren zur Wasserfilterung beruhen auf einem einfachen Prinzip: Wasser wird unter Druck durch eine Membran mit mikroskopisch kleinen Löchern gedrückt. Dieses Verfahren der so genannten Ultrafiltrationsmembranen findet dort Anwendung, wo im Wasser gelöste Substanzen nicht durch grobere Sandfilter vom Wasser getrennt werden können.

Dasselbe Prinzip wird bei dem Prozess der umgekehrten Osmose verwendet, die man zur Wasserentsalzung nutzt. Die umgekehrte Osmose basiert darauf, Wasser durch mechanischen äußeren Druck durch halbdurchlässige Membranen zu pressen. Allerdings wird ein Druck von mehreren 10.000 Hektopascal benötigt, um den Wasserfluss durch die Membran aufrecht zu erhalten. Sowohl die Geräte zur Erzeugung des hohen Drucks als auch die Herstellung der Membranen, die diesem hohen Druck standhalten können, ist sehr teuer. Deshalb kann das Prinzip der umgekehrten Osmose nur in einem kleinen Teil der Welt zur Gewinnung von Trinkwasser eingesetzt werden.

Nanotechnologie als Lösung

Nanotechnologie ist ein Schlagwort in unterschiedlichen Gebieten wie der Elektronik, den erneuerbaren Energien und der medizinischen Diagnostik. Nano-Röhrchen aus Kohlenstoff - also zusammengerollte Schichten aus Kohlenstoffatomen - sind eine der aussichtsreichen Materialien der Nanotechnologie.

Eine der wichtigsten Merkmale der Nanotechnologie ist es, dass Objekte auf die Größe von atomarem Maßstab verkleinert werden. Allerdings können die Eigenschaften dieser Objekte - wie zum Beispiel Röhren - nicht einfach vom großen Maßstab auf den kleinen Maßstab übertragen werden. Tatsächlich ändern sich die Eigenschaften im atomaren Maßstab häufig auf nützliche Weise. Dies trifft auch für den Fluss von Wassermolekülen durch Nanoröhrchen zu. Normalerweise bestimmt die Größe der Poren in einer Filtermembran die Menge des Wassers, welche durch die Membran fließen kann. Mit Verkleinerung der Poren sinkt auch die Menge des filterbaren Wassers drastisch: Bei halber Porengröße kann nur noch 1/16 der ursprünglichen Wassermenge den Filter passieren.

Experimentelle Ergebnisse aus dem Jahr 2005, die zuerst von der Universität Kentucky veröffentlicht wurden, zeigten bei Einsatz von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, dass dieser Zusammenhang in der Nanowelt nicht zutrifft. Tatsächlich war die filterbare Wassermenge um den Faktor 1.000 bis 10.000 höher als es die interpolierte Berechnung von der Makrowelt auf den Nano-Maßstab vermuten ließ. Diese dramatische Verbesserung ließ den Schluss zu, dass sich große Einsparungen durch Verzicht auf hohen Druck und damit verbundene Energieeinsparungen bei der Filterung des Wassers erzielen ließen. Inzwischen verfolgen viele Forscher diesen Technologieansatz, um eine neue Klasse von preisgünstigen und hocheffizienten Wasserfiltern herzustellen.

Es ist jedoch immer ein langer Weg von der wissenschaftlichen Entdeckung bis zum praktischen Einsatz. Einer der wichtigsten Schritte auf diesem Weg ist das tiefere Verständnis der physikalischen Ursachen und des erweiterten Verhaltens von Nano-Röhrchen, um dieses besser auszunutzen. Dieses ist präzise der Fokus der Forscher am „Centre for Novel Multidisciplinary Mechanics“ der Universität Tsinghua und des Projektes „Computing for Clean Water“. In Computersimulationen wird das Phänomen des Wasserflusses durch Nano-Röhrchen im Maßstab einzelner Wassermoleküle simuliert. Die entsprechende Technik nennt man Molekulardynamik.

Von der Hypothese zum WCG-Projekt

Bereits im Jahre 1823 formulierte der französische Physiker, Mathematiker und Ingenieur Claude-Louis Navier eine interessante Hypothese: Unter idealen Bedingungen benötigt man sehr wenig Druck, um eine Flüssigkeit durch eine feste Oberfläche fließen zu lassen. Mit anderen Worten, der Durchfluss durch eine feste Oberfläche wäre nahezu widerstandsfrei. Diese Idee wurde bis heute nicht vollständig bestätigt, aber neueste Beobachtungen zur Fließrate von Wasser durch Membranen von gruppierten Nanoröhrchen zeigen, dass der von Navier beschriebene Effekt auch in dem System der Nanoröhrchen eine Rolle spielt.

Abbildung 2: Claude-Louis Navier, (* 10. Februar 1785 in Dijon; † 21. August 1836 in Paris)

Unter Nutzung molekulardynamischer Simulationen fanden die Tsinghua-Forscher kürzlich heraus, dass es eine logarithmische Beziehung zwischen der Schubbelastung in der Nanoröhre und der Fließgeschwindigkeit des Wassers gibt. Diese logarithmische Beziehung scheint für Fließgeschwindigkeiten bis herunter zu circa 1 m/s gültig zu sein. Dies ist das untere Limit der bislang möglichen Simulationen. Wenn bewiesen werden kann, dass die logarithmische Beziehung auch für weit niedrigere Fließgeschwindigkeiten und unter Bedingungen von realen Experimenten mit Nanoröhren gültig ist, dann können sich Ideen für die physikalische Begründung des offensichtlich schnellen Wasserflusses durch Nanoröhren ergeben. Zwar ist die untere Grenze der Fließgeschwindigkeit, die von den Tsinghua-Forschern untersucht wurde, die bislang geringste Geschwindigkeit aller bis heute durchgeführten molekulardynamischen Forschungen, aber dennoch liegt diese Geschwindigkeit mindestens eine Größenordnung (Zehnerpotenz) oberhalb bisheriger praktischer Experimente. Außerdem liegen die bisherigen Simulationen mehrere Größenordnungen oberhalb von Geräten, die zukünftig die beschriebenen Effekte zur Wasserfilterung nutzen werden. Die Tsingua-Forscher schätzen, dass eine Berechnungszeit von 460 Jahren auf einem typischen Desktop-PC (Single-Core) benötigt wird, um auf molekularer Ebene Fließgeschwindigkeiten am oberen Rand praktischer Experimente zu simulieren. Um diese Simulationen auf Geschwindigkeiten von 1 cm/s oder weniger auszudehnen - diese Geschwindigkeit wäre typisch für zukünftig einsetzbare Geräte - wäre ein Faktor 400 für die Berechnungszeit anzusetzen, also eine gesamte Berechnungszeit von 184.000 Jahren. Wenn man die Simulationen zusätzlich noch mit mehreren repräsentativen Durchmessern der Nanoröhrchen berechnen möchte, so wird die Berechnungszeit nochmals um den Faktor 10 bis 100 erhöht. Somit kommt die benötigte Rechenzeit auf weit über eine Million Jahre.

Wissenschaftlich gesehen ist es wichtig, dass die Bandbreite langsamer Fließgeschwindigkeiten genau untersucht wird. Außerdem müssen die Ergebnisse von Computersimulationen und praktischer Experimente miteinander verglichen werden. Man kann die Ergebnisse nicht einfach aus den Erkenntnissen anderer Geschwindigkeitsbereiche fortschreiben, weil nichtlineare Effekte eine einfache Vorhersage nicht erlauben. Beispielsweise gibt es sogenannte Klebe-Fließ-Phänomene bei reduzierter Fließgeschwindigkeit an der Wassermasse mit direktem Kontakt zur Kohlenstoff-Nanoröhre, da Wasser dort bekanntermaßen eine eisähnliche Struktur einnimmt.

Die riesigen Anforderungen an die Rechenleistung für dieses Projekt liegen weit außerhalb der Möglichkeiten des hauseigenen Rechenclusters der Tsinghua Universität. Das World Community Grid und seine freiwilligen Mitglieder können entscheidend zum Erfolg beitragen, und zwar durch Bereitstellung einer Rechenleistung, die sich das Tsinghua-Team auf andere Weise nicht leisten könnte.

Das Ergebnis dieses Projektes wird nicht nur die Voraussagen von Navier aus dem Jahr 1823 zu testen helfen, sondern auch fundamentales Wissen zur Hydrodynamik im atomaren Maßstab freilegen. Dadurch kann der Filterungsprozess von Flüssigkeiten durch Kohlenstoff-Nanoröhren und andere Formen von nanotechnologischen Membranen optimiert werden.

Als Ergebnis erwarten die Forscher ein tiefes Verständnis des optimalen Durchmessers von Nanoröhren als Funktion der Fließgeschwindigkeit. Dieses soll richtungsweisend sein für die Herstellung zukünftiger preiswerter Filtersysteme auf Basis von Nanomembranen aus Kohlenstoff-Röhrchen und die Entdeckung alternativer Ansätze zur Produktion von effizienten und preisgünstigen Wasserfiltern.

Beteiligte Forscher

Die am Projekt „Computing for Clean Water“ beteiligten Forschungsinstitute sind weltweit verteilt. Das erweiterte Forschungsteam arbeitet in China, Australien und der Schweiz, wobei das Team am neuen „Centre for Novel Multidisciplinary Mechanics (CNMM)“ an der Tsinghua Universität in Peking die Forschung leitet.

• Quanshui Zheng (Forschungsleiter), CNMM, Tsinghua Universität, Peking, China
• Zhiping Xu, CNMM, Tsinghua University, Beijing, China
• Ming Ma, CNMM, Tsinghua University, Beijing, China
• Wei Xiong, CNMM, Tsinghua University, Beijing, China

Weitere Zusammenarbeit:

• Zhong Zhang, National Centre for Nano Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Peking, China. Zhong Zhang wurde unter anderem bereits von der Bayer AG und der deutschen Alexander von Humboldt-Stiftung für seine Forschung geehrt.
• Luming Shen, School of Civil Engineering, University of Sydney, Australien
• Jefferson Zhe Liu, Department of Mechanical Engineering, University of Monash, Australien
• Francois Grey, Citizen Cyberscience Centre, CERN, Genf, Schweiz

Statistik

Mit bestem Dank an Sekerob.