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Neben unmittelbaren Gesundheitsrisiken birgt UV-Strahlung auch indirekte Gefahren: Sie zersetzt Oberflächenbeschichtungen auf exponierten Objekten (z. B. auf Flugzeugen und Brücken) und attackiert darunterliegende Materialien. Die zugrundeliegenden molekularen Prozesse (Polymerdegradation) sind äußert komplex, deshalb arbeitet ein Verbund unter Koordination des Fraunhofer IAF im Rahmen des BMFTR-geförderten Projekts QPolyDeg an der Entwicklung neuartiger Quantenalgorithmen für die Simulation von Polymerdegradation. Mittels quantenchemischer Berechnungen sollen widerstandsfähigere Beschichtungen für die Industrie ermöglicht werden.
Was haben Autos, Brücken und Flugzeuge gemeinsam? Sie alle befinden sich die meiste Zeit unter freiem Himmel und sind der Ultraviolett-(UV-)Strahlung der Sonne ausgesetzt. Flugzeuge sind dieser Strahlung in besonderem Maße ausgeliefert, da die UV-Strahlung in großen Flughöhen sehr intensiv ausfällt. Die UV-Strahlung greift Oberflächenbeschichtungen an, wobei es insbesondere in Polymeren, die Bestandteil vieler Beschichtungen sind, durch die Absorption der UV-Strahlung zur Brechung von chemischen Bindungen, der Spaltung von Ketten und Oxidation kommt.
Auf der makroskopischen Ebene können solche Prozesse zur Vergilbung, Glanzminderung und Oberflächenversprödung führen, sodass die unter der Beschichtung liegenden Bereiche ebenfalls angegriffen werden können. Daraus entstehen hohe Prüf- und Wartungsaufwendungen beziehungsweise Sicherheitsrisiken.
Für bessere Beschichtungen: Polymerdegradation mittels Quantencomputing verhindern
Um die Zersetzung von Polymeren besser zu verstehen und unterdrücken zu können, müssen die einzelnen Degradationsprozesse untersucht werden. Dies ist jedoch kompliziert, weil dabei quantenmechanisch stark verschränkte Elektronenzustände eine wichtige Rolle spielen, weshalb klassische Berechnungsmethoden oft an ihre Grenzen kommen.
Im Verbundprojekt »Quantencomputing für die Simulation der UV-induzierten Polymerdegradation« (QPolyDeg), das am 1. April 2026 gestartet ist, untersuchen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF daher zusammen mit Capgemini Engineering Deutschland, HQS Quantum Simulations GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie Airbus und Akzo Nobel N.V. als assoziierten Partnern den Einsatz von Quantenalgorithmen für die Berechnung von Polymerdegradation.
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert QPolyDeg im Rahmen der Fördermaßnahme »Anwendungsorientierte Quanteninformatik« über einen Zeitraum von drei Jahren mit 2,4 Mio. Euro (Förderkennzeichen: 13N17392).
Quantenalgorithmen beschleunigen quantenchemische Berechnungen
»Quantenalgorithmen versprechen eine signifikante Beschleunigung quantenchemischer Berechnungen«, betont Projektleiter Dr. Walter Hahn vom Fraunhofer IAF. »Unser Ziel im Projekt QPolyDeg ist die Entwicklung von Quantenalgorithmen für die Simulation der durch UV-Strahlung verursachten Polymerdegradation am Beispiel industriell relevanter Flugzeuglacke. Wir erwarten, dass sowohl die Luft- und Raumfahrt- als auch die Automobil- und Baubranche von quantenalgorithmisch optimierten Beschichtungen stark profitieren kann. Deshalb arbeiten wir eng mit führenden europäischen Unternehmen aus diesen Bereichen zusammen.«
»Im Projekt QPolyDeg verbinden wir aufkommende Quantentechnologie mit konkreten Geschäftsprozessen«, erläutert Dr. Franziska Wolff vom Team Quantum bei Capgemini Engineering. »Indem wir bereits heute anwendungsorientierte Arbeitsabläufe für reale Systeme entwickeln, tragen wir dazu bei, dass die Einführung schnell und strategisch erfolgen kann, sobald die Quantenhardware bereit ist.«
»HQS entwickelt Spektroskopie-Software, daher ist QPolyDeg eine natürliche Ergänzung für uns«, erklärt Dr. Michael Marthaler, CEO und Mitgründer von HQS Quantum Simulations. »Die Auswirkungen von UV-Strahlung auf Polymerbeschichtungen sind ein relevantes und bisher wenig erforschtes Gebiet für Quantensimulationswerkzeuge, und wir freuen uns darauf, unsere Erfahrung gemeinsam mit den anderen Projektpartnern einzubringen.«
»Die Optimierung der Eigenschaften von Funktionsmaterialien bedarf eines Verständnisses ihrer Struktur-Zusammensetzungs-Eigenschaftsbeziehungen über multiple Skalen hinweg – von atomaren Kristallstrukturen und Defekten über die Mikrostruktur von Werkstoffen bis hin zum Verhalten makroskopischer Bauteile und Komponenten unter realen Einsatzbedingungen«, betont Dr. Daniel Urban vom Fraunhofer IWM. »Hierfür eröffnet uns das Quantencomputing vielversprechende innovative Ansätze zur effizienteren und genaueren atomistischen Simulation von Molekülen und Materialien.«
Analyse der Polymerdegradation, Algorithmus-Entwicklung, industrielle Anwendung
Die Verbundpartner nehmen sich im Rahmen des Projekts aller Schritte an, die zur Verbesserung von Oberflächenbeschichtungen mithilfe von Quantencomputing nötig sind: angefangen bei der Analyse der Degradationsprozesse von Polymeren unter Einwirkung von UV-Strahlung über die Entwicklung passender Quantenalgorithmen zur Simulation optimierter Beschichtungen bis hin zur Untersuchung der industriellen Anwendung und Skalierbarkeit der Algorithmen.
Capgemini Engineering wird passende Einbettungsstrategien und die Modellierung möglicher Arten der Polymerdegradation untersuchen, wobei ein Maschinenlern-Ansatz (ML) für die Vorhersage der Polymerdegradationspfade entwickelt werden wird. HQS wird daran anschließend Aktivraum-Methoden anwenden und quantenchemische Methoden verwenden, um Grund- und angeregte Zustände hinsichtlich der Verschränkungsart zu analysieren.
Die Institute Fraunhofer IAF und IWM werden die Grund- und angeregten Zustände der Hamilton-Operatoren der Aktivräume mithilfe verschiedener Quantenalgorithmen berechnen und diese Algorithmen dabei weiterentwickeln. Die von den Quantenalgorithmen bestimmten Zustände werden von Capgemini und HQS in ihren entsprechenden Workflows weiterverwendet.
Das Fraunhofer IWM wird sich dabei auf vielversprechende nicht-variationelle Quantenalgorithmen konzentrieren, die auf moderner Quantenhardware ausführbar sind, und die prinzipielle Anwendbarkeit dieser Algorithmen auf das vorliegende Problem untersuchen. Das Fraunhofer IAF wird an der Weiterentwicklung von früh-fehlertoleranten und fehlertoleranten Quantenalgorithmen hinsichtlich der Präparation benötigter Anfangszustände arbeiten. Konkret geht es um Fragen der prinzipiellen Anwendbarkeit und des Skalierungs- und Konvergenzverhaltens dieser Algorithmen bei verschiedenen Problemgrößen.
Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III/V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren.
https://www.iaf.fraunhofer.de/
https://www.quantensysteme.info/projektatlas/projekte/q/qpolydeg: Steckbrief über das Projekt QPolyDeg
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/kunden/quantensysteme/quantencomputing.html: Überblick über die Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IAF im Bereich Quantencomputing
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/netzwerker.html: Informationen zur Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAF
Im Projekt QPolyDeg werden Quantenalgorithmen entwickelt, um mittels quantenchemischer Berechnungen ...
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Im Verbundprojekt QPolyDeg arbeiten die Institute Fraunhofer IAF (Koordination) und IWM mit den Unte ...
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Chemie, Physik / Astronomie, Verkehr / Transport, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsprojekte, Kooperationen
Deutsch
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