Eine Zeitmaschine zum stabilsten Zustand

Was haben ein Marsmeteorit aus der Frühzeit unseres Sonnensystems, klimafreundlicher Zement und Lithium aus dem Tiefenwasser gemeinsam? All diese Systeme lassen sich mit derselben Software modellieren: mit GEMS.

GEMS steht für Gibbs Energy Minimisation Software – auf Deutsch etwa «Software zur Minimierung der Gibbs’schen Energie» – und wurde vor über dreissig Jahren am PSI initiiert und seither kontinuierlich weiterentwickelt. Heute hat die Open-Source-Applikation Anwenderinnen und Anwender in der Schweiz und auf der ganzen Welt; Tausende wissenschaftliche Publikationen aus den unterschiedlichsten Disziplinen stützen sich auf ihre Berechnungen und die dazugehörigen Datenbanken. Ein neugegründetes nationales Konsortium aus Forschenden des PSI, der ETH Zürich, der Empa, der Universität Bern, der ETH Lausanne EPFL und Nagra stellt nun sicher, dass die Software auch künftig weiterentwickelt, gewartet und gemeinsam finanziert wird.

Marsmeteorit, grüner Zement und Lithium aus Tiefenwasser

Was auf den ersten Blick nicht viel miteinander zu tun hat, folgt letztlich derselben chemischen Gesetzmässigkeit – der Gibbs’schen Energie. Eine etwas abstrakte, aber fundamentale Grösse der Thermodynamik. George-Dan Miron vom Zentrum für Nukleare Technologien und Wissenschaften am PSI ist Initiator des Konsortiums und langjähriger Entwickler von GEMS. Er erklärt die thermodynamische Grösse mit einem Bild aus dem Alltag: «Die Gibbs’sche Energie verhält sich wie ein Preissystem. Alles in der Natur folgt diesem System – Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe. Sobald sie miteinander interagieren, sind sie Preisschwankungen ausgesetzt. Der Zustand mit dem niedrigsten Preis ist der stabilste – und genau diesen möchten wir mit GEMS berechnen.»

Es geht also darum, zu verstehen, wie sich chemische Elemente auf verschiedene Phasen verteilen, wenn ein System sein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht – den Zustand mit dem tiefsten Preis – und welche Parameter diesen Endzustand bestimmen. So entdeckten Forschende der Universität Bern beispielsweise in einem Marsmeteoriten ein Mineral, das bislang in der Natur unbekannt war. Um zu rekonstruieren, unter welchen Bedingungen diese exotische Phase im heissen, gasreichen Umfeld unseres frühen Sonnensystems entstanden ist, nutzten die Forschenden GEMS. Wie eine virtuelle Zeitmaschine erlaubt die Software, Temperatur- und Druckbedingungen zu rekonstruieren, die vor langer Zeit zur Bildung dieses Minerals geführt haben.

Auch bei der Entwicklung neuer CO₂-armer Zementformulierungen, wie sie etwa am PSI an der Empa und auch an der EPFL erforscht werden, ist GEMS zentral. Die Software simuliert, welche Mineralphasen sich beim Erstarren des Zements bilden, wie stabil diese sind und wie das Material mit seiner Umgebung interagiert. Damit können Forschende virtuell Hunderte Rezepturen untersuchen, bevor sie sie im Labor mischen – ein enormer Vorteil in einer Branche, die rund acht Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verursacht und in der jede klimafreundlichere Formulierung zählt.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist Lithium: Das Leichtmetall steckt in fast allen modernen Batterien, wird aber vor allem in Australien und Lateinamerika gewonnen – teilweise mit Methoden, die wegen ihres hohen Wasserverbrauchs in der Kritik stehen. In der Schweiz und Europa wird intensiv daran geforscht, Lithium und seltene Elemente aus heissem, geothermischem Tiefenwasser zu gewinnen. Mit GEMS planen Forschende der Universität Bern eine neue Studie, um zu berechnen, wie sich die chemische Zusammensetzung dieser Fluide unter unterschiedlichen Bedingungen verändert und welche Prozesse eine gezielte Extraktion von Lithium ermöglichen könnten.

GEMS ist einmalig

Die drei Beispiele zeigen, wie breit GEMS heute eingesetzt wird – von der Planetologie über die Zementforschung bis hin zur Geochemie. Am PSI wurde die Software jedoch von einer deutlich spezifischeren Fragestellung geprägt: der Frage, wie sich die Materialien eines geologischen Tiefenlagers über Zehntausende bis Hunderttausende Jahre verändern. Für das Schweizer Endlagerprojekt mussten Forschende verstehen, wie Stahl, Beton, Wasser und Gesteine chemisch miteinander reagieren – und wie sich diese Wechselwirkungen über gewaltige geologische Zeiträume hinweg entwickeln.

Als Ende der 1980er-Jahre leistungsfähige Personal Computer den Weg in die Forschung fanden, begann der Geochemiker Dmitrii Kulik am PSI, einen frühen Prototyp eines geochemischen Modellierungswerkzeugs systematisch weiterzuentwickeln. Er strukturierte die anfänglichen Arbeiten, verfeinerte das zugrunde liegende Konzept und baute GEMS gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen zu einer leistungsfähigen thermodynamischen Modellierungssoftware aus, die rasch wuchs und immer leistungsfähiger wurde.

Parallel dazu führten Forschende am PSI – in enger Zusammenarbeit mit der Nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) – zahlreiche Experimente durch, unter anderem im Hotlabor. Dort untersuchten sie, wie Radionuklide in Kontakt mit natürlichen Gesteinen wie Opalinuston sowie Beton oder anderen Materialien reagieren, wie sie sich durch diese bewegen und welche neuen Mineralphasen sich dabei bilden. Jedes Experiment liefert bis heute Eingangsdaten für GEMS-basierte Modellierungen und ermöglicht es, Prozesse unter verschiedensten, für geologische Tiefenlager relevanten Bedingungen präzise nachzubilden.

Über die Jahre wuchs so ein umfangreicher Schatz aus experimentellen Daten, umfassenden thermodynamischen Datenbanken und einer Vielzahl von Modellen heran, der GEMS bis heute weltweit einzigartig macht.

Konsortium für die Zukunft von GEMS

Die Erfolgsgeschichte von GEMS birgt allerdings auch Herausforderungen: Mit jedem neuen Anwendungsbereich, mit jeder publizierten Studie und jedem weiteren Modell steigt der Aufwand, die Software zu pflegen, zu modernisieren und aktuell zu halten.

Mit dem neugegründeten nationalen Konsortium haben die beteiligten Institutionen nun ein Instrument geschaffen, um diese Verantwortung untereinander aufzuteilen und sich gemeinsam für die Weiterentwicklung, Wartung und Finanzierung der Software zu kümmern. Mit der Pensionierung von Dmitrii Kulik übernahm George-Dan Miron die wissenschaftliche Leitung des Projekts: «GEMS soll eine State-of-the-Art-Open-Source-Software bleiben, die Forschende weltweit und über Fachgrenzen hinweg unterstützt – und die gezielt weiterentwickelt wird.»

Text: Paul Scherrer Institut PSI/Benjamin A. Senn

Kontakt

Dr. George-Dan Miron
PSI Center for Nuclear Engineering and Sciences
Paul Scherrer Institut PSI

+41 56 310 24 32
dan.miron@psi.ch
[Englisch]

Weiterführende Informationen

https://gems.web.psi.ch/

Zur Mitteilung: https://www.psi.ch/de/news/psi-stories/eine-zeitmaschine-zum-stabilsten-zustand