Modeling of realistic microstructures on the basis of quantitative mineralogical analyses

In Ihrer Dissertation befassen Sie sich mit der Frage, wie man die Zerkleinerungstechnik effizienter machen kann. Was genau ist unter Zerkleinerung zu verstehen und wofür wird diese eingesetzt?

Zerkleinerung ist der allgemeine Fachbegriff, der verwendet wird, wenn Materialien in einem technischen Prozess absichtlich gebrochen oder gemahlen werden. In meiner Dissertation verwende ich den Begriff im Zusammenhang mit der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe. Vereinfacht ausgedrückt geht es um die Zerkleinerung eines Erzklumpens. Der Begriff wird aber auch verwendet, wenn eine alte Batterie für das Recycling geschreddert wird, oder für das Mahlen von pharmazeutischen Wirkstoffen zur Herstellung einer Salbe. Da der Prozess für so viele Produktions- und Recyclingprozesse unerlässlich ist, werden fast alle von Menschenhand geschaffenen Dinge irgendwie zerkleinert, bevor wir sie als Endverbraucher*innen kaufen können.

Ziel Ihrer Forschung ist die Verbesserung der Computersimulationen von Zerkleinerungssystemen, die auf der Methode der diskreten Elemente basieren. Könnten Sie uns diese Methode und ihre Funktionsweise erklären?

Es ist ein Ansatz, bei dem die Bewegung verschiedener Objekte mechanistisch simuliert werden kann. Er basiert auf der Auswertung der Newtonschen Bewegungsgesetze. Das Grundprinzip besteht darin, den aktuellen Zustand jedes Objekts (z. B. Position und Geschwindigkeit) als Grundlage für die Berechnung zu nehmen, wohin sich dieses Objekt nach einem bestimmten Zeitschritt bewegt hat. Interaktionen zwischen den Objekten, wie z. B. Kollisionen, können als zusätzliche Modelle implementiert werden, so dass sie die Zustände der miteinander interagierenden Objekte beeinflussen. Mit diesem Ansatz können wir zum Beispiel simulieren, wie sich Billardkugeln bewegen und kollidieren. Mit komplexeren Wechselwirkungsmodellen ist es aber auch möglich, die Wechselwirkungen zwischen fast allen möglichen Objekten – von Molekülen bis hin zu Galaxien – zu simulieren. Darüber hinaus können diese diskreten Elemente auch miteinander verbunden werden, wodurch beliebige feste Strukturen entstehen. Indem man solche Verbindungen brüchig macht, ist es möglich, zerbrechliche Materialien wie Gestein zu modellieren.

Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem man synthetische Mikrostrukturen erzeugt, die in Simulationen von Aufbereitungsprozessen eingesetzt werden können. Dabei ist es notwendig, reale mineralische Mikrostrukturen zu charakterisieren. Würden Sie dieses Verfahren – die sogenannte quantitative Mikrostrukturanalyse – etwas näher beleuchten?

Um das Brechen von mineralischen Materialien explizit zu simulieren, z. B. durch Anwendung der Methode der diskreten Elemente mit brüchigen Bindungen, ist es notwendig, die richtigen Informationen über die Mikrostruktur der mineralischen Materialien in solche Simulationen einzuspeisen. Dazu werden Dünn- oder Anschliffe des realen mineralischen Materials mit der Polarisationsmikroskopie analysiert, die es ermöglicht, zwischen den verschiedenen Mineralien und Körnern zu unterscheiden.
Darauf aufbauend kann die wirkliche Mikrostruktur mit stereologischen Methoden charakterisiert werden. Im Einzelnen werden die Schliffe durch Zählen der Schnittpunkte zwischen den verschiedenen Körnern oder durch Planimetrie vermessen. Auf diese Weise kann man Parameter berechnen, die die gesamte Mikrostruktur beschreiben. Im Gegensatz zur typischen qualitativ verbalen Beschreibung von Mikrostrukturen, die in der Mineralogie historisch häufig verwendet wurde, wird dieses Verfahren als quantitative Mikrostrukturanalyse bezeichnet.

Was sind Ihrer Meinung nach einige der relevantesten Auswirkungen oder Anwendungen Ihrer Forschung in der realen Welt?

Das Erstellen realistischer Mikrostrukturen am Computer, die dann für weitere Simulationen verwendet werden, ist weit entfernt von unserem Alltag. Es handelt sich um Grundlagenforschung. Jedoch ist es ein Forschungsgebiet mit großen Auswirkungen auf unser Leben, da fast alle von Menschenhand geschaffenen Dinge bei der Produktion oder beim Recycling in irgendeiner Form zerkleinert werden. Man schätzt zum Beispiel, dass etwa 3% des gesamten Energieverbrauchs in der Welt allein auf das Mahlen und Zerkleinern von mineralischen Stoffen zurückzuführen sind. Wenn diese Prozesse effizienter gestaltet werden, kann dieser energetische Fußabdruck erheblich reduziert werden. Darüber hinaus gibt es einige Anwendungen, bei denen das richtige Verständnis des Einflusses der Mikrostruktur für uns von Bedeutung ist. Dazu gehört der Beton in den Pylonen der Brücken, die wir täglich überqueren müssen, um zur Arbeit zu gelangen, oder die Freisetzung von Seltenerdelementen, die für unzählige Technologien unerlässlich sind, von Leuchtdioden bis hin zu Permanentmagneten in den Motoren von Elektroautos.