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Die Forschungsgruppe „Multiphysikalische Modellierung von geologischen Materialien und Prozessen für die Energiewende“ untersucht rechnerisch die Mikroskalenprozesse in Untergrundgesteinen, die für die Entwicklung nachhaltiger Energielösungen von entscheidender Bedeutung sind. Das komplexe Zusammenspiel physikalischer und chemischer Prozesse in Untergrundgesteinen und konstruierten Materialien wird modelliert, simuliert und analysiert. Die Hauptforschungsaktivitäten umfassen:

Mikroskalige Modellierung multiphysikalischer Prozesse in Untergrundgesteinen

• Kristallisation und Auflösung:

Austauschprozesse zwischen dem Mineral und der Flüssigkeit haben in porösen Gesteinen und offenen Rissen einen erheblichen Einfluss auf Untergrundsysteme, die in Energieanwendungen genutzt werden. Diese Prozesse verändern im Laufe der Zeit die Gesteinseigenschaften und Porengeometrien, wodurch wiederum das Fluidverhalten beeinflusst wird. Durch umfassende Simulationsstudien werden die komplexen Mechanismen des Mineralwachstums und der -auflösung unter unterschiedlichen geochemischen Bedingungen und Gesteinsheterogenitäten untersucht, wobei analysiert wird, wie diese Prozesse die Gesteinseigenschaften und Porenstrukturen über die Zeit verändern.

Abbildung 1: (Links) Kristallisation auf einem Quarzkorn mit Nukleationsdiskontinuitäten. (Rechts) Ätzgruben-Auflösung des K-Feldspat-Minerals in Sandstein, visualisiert entlang einer 2D-Ebene.

• Strömungen und Wärmeübertragung:

Komplexe Wechselwirkungen zwischen dem strömenden Fluid und der Wärmeübertragung spielen in geothermischen Systemen mit Frakturen eine entscheidende Rolle bei der Energiegewinnung. Die Forschungsaktivitäten der Gruppe konzentrieren sich auf die Untersuchung der komplexen Beziehung zwischen der Strömung durch fragmentiertes Gestein und der damit verbundenen Wärmeextraktion unter unterschiedlichen physikalischen Bedingungen.

Abbildung 2: Stationäres Temperaturfeld während des Fluidflusses durch eine offene Fraktur, visualisiert entlang einer 2D-Ebene.

Materialmodellierung für die Energieinfrastruktur:

• Korrosion:

Mikroskalige Korrosion in metallischen Rohren stellt eine große Herausforderung für die Infrastruktur, den Energietransport sowie die Energiespeicherung betreffend, dar. Verschiedene Diffusionsprozesse werden in die Korrosionsmodellierung einbezogen, um Zersetzungsmechanismen zu simulieren und ihre Auswirkungen auf die strukturelle Integrität zu bewerten. Diese Forschung zielt darauf ab, die Haltbarkeit und Sicherheit wichtiger Komponenten von Energiesystemen zu verbessern, um letztlich die Lebensdauer kritischer Infrastrukturen zu verlängern.

Abbildung 3: Fortschreitende Korrosion in einer polykristallinen Metallstruktur

• Risswachstum:

Die Bruchmechanik in polykristallinen Gesteinen ist ein entscheidendes Gebiet für das Verständnis geologischer Formationen, die in Energieanwendungen genutzt werden, sowie für konstruierte Materialien. Die Gruppe arbeitet zudem an der Entwicklung und Erweiterung bestehender Modelle der Bruchmechanik, um die Mechanismen der Rissinitiierung und des Risswachstums in polykristallinen Systemen zu untersuchen. Diese Modelle konzentrieren sich darauf, den Einfluss der Kristallorientierung, Mikrostruktur, Fluiddruck sowie thermischer und chemischer Dehnungen auf das Bruchverhalten in Mehrphasensystemen zu beschreiben.

Abbildung 4: Rissausbreitung in einem anisotropen polykristallinen Material