Ausgewählte HPC-Anwenderprojek­te

Inhaltsverzeichnis

1. 1. Modellierung der Steifigkeitsdegradation von Beton basierend auf physikalischen Meßwerten
   2. Wie aktiviert Insulin seinen Rezeptor ?
   3. Quanteneigenschaften auf den Grund gehen
   4. Abtrennung von schwerem und superschweren Wasserstoff
   5. First-principles Rechnungen zur Energetik und Kinetik von Defekten und Nanoclustern in Eisenlegierungen
   6. Jagen und Sammeln neuartiger Viren im großen Maßstab
   7. Gaia Calibration and Relativity Tests

Modellierung der Steifigkeitsdegradation von Beton basierend auf physikalischen Meßwerten

TU Dresden, Fakultät Architektur, Lehrstuhl Tragwerksplanung, Jürgen Ries

1.  4-Punkt-Biegeversuch (Balken 15x15x70cm)

1.1  Materialmodell (verschmierte Rißmethode)

Nach der statistischen Auswertung der experimentell ermittelten Materialparameter (Druck-, Biege-, Spaltzug- und Zugfestigkeit) stellte sich die Biegefestigkeit als Materialparameter mit der geringsten Abweichung vom Mittelwert (relatives Streuungsmaß, Variationskoeffizient) dar. Hieraus folgt die Zielsetzung einer Implementierung der elektronisch aufgezeichneten Meßdaten der durchgeführten weggeregelten 4-Punkt-Biegezugprüfungen (gemäß Prüfrichtlinie Deutscher Ausschuß für Stahlbeton DAfStB). Die experimentell aufgezeichneten Kräfte und Verschiebungen wurden nach den Regeln der Stabstatik linear in normierte Spannungen und Dehnungen umgerechnet.

Das Versagensmodell des Faserbetons (verschmierte Rißmethode) wird anschließend unter Verwendung von insgesamt 20 experimentellen Wertepaaren „Spannung-Dehnung“ als multilinear-elastisches Verhalten im Modell eingear-beitet. Das Verhalten des Betonstahl wurde als Bst500 vereinfacht als „verschmierte“ Bewehrung mit 0,5 Vol% in der Plattenebene mit bilinearem Spannungs-Dehnungs-Verhalten implementiert.
Das Materialmodell des unbewehrten Faserbetons und seine Entfestigung basiert somit ausschließlich auf experimentell gemessenen Daten der 4-Punkt-Biegeversuche. Die in „Ansys Mechanical“ zur Verfügung stehenden theoretischen Materialmodelle, z.B. Mohr-Coulomb oder Drucker-Prager, fanden hier keine Anwendung. Die üblichen Eingangsdaten der einachsialen Zug- und Druckfestigkeit gingen ebenfalls nicht in die Simulation ein. Bei der Auswer-tung der durchgeführten 4-Punkt-Versuche ist die unterste Kraft-Weg-Kurve maßgebend (minimale geleistete Arbeit); dies entspricht einem Hauptriß in Feldmitte.
Nach den Regeln der Stabstatik gibt es zwischen den Lasteinleitungen ein konstantes Biegemoment, jedoch keine Querkraft. Der Bereich der Schädigung breitet sich gleichmäßig links und rechts vom mittigen Hauptriß aus. Im Bereich der Schädigung zwischen den Lasteinleitungen entspricht somit die konstante Biegenormalspannung aufgrund fehlender Biegeschubspannung der Vergleichsspannung. Diese geht, zusammen mit der plastischen Dehnung, als Beanspruchungsgröße in das Materialmodell ein. Gemäß „Kirchhoff’scher Plattentheorie“ wird die Verformung aus Schubbeanspruchung vernachlässigt.

1.2 Nachrechnung (quasistatische Simulation)

Geringe Abweichungen entstehen im „elastischen“ Bereich und bei der Biegefestigkeit (Peak) aufgrund der simulierten verschmierten Rißbildung / Schädigung. Durch die homogen verteilte Steifigkeitsdegradation innerhalb der Simulation kann die experimentelle Rißbildung nur angenähert werden. Die frei werdende Rißenergie unterhalb der Kurven wird durch die Simulation sehr gut abgebildet. Elementgröße und Verformungsgeschwindigkeit müssen für eine gute Simulationsqualität ausreichend klein gewählt werden.

2. Modell der CC-Strukturen (Platte 4,80x4,80x0,16m)

Das FEM-Modell bildet eine Ortbetonplatte mit biachsialem Lastabtrag ab.

Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG im Rahmen des SPP1542 finanziert.

Alle weiteren Ergebnisse bzw. Hintergrundinformationen zur quasistatischen Simulation der CC-Strukturen sind hier zu finden:    https://www.researchgate.net/profile/Juergen_Ries, Oktober 2018

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Wie aktiviert Insulin seinen Rezeptor ?

TU Dresden, FG Dr. Coskun, Medizinische Fakultät, Paul Langerhans Institut

Das Hormon Insulin steuert sowohl den Stoffwechsel als auch das Wachstum. So benötigen Zellen Insulin, um effizient Zucker aufnehmen zu können. Ist diese Funktion gestört, kann das zu schweren Krankheiten wie Diabetes mellitus oder Krebs führen. Die biologischen Wirkungen des Hormons Insulin werden durch ein passendes Protein in der Zellmembran vermittelt – den sogenannten Insulin-rezeptor. Wie der Insulinrezeptor jedoch aktiviert wird und schließlich das Signal durch die Membran in die Zelle weiterleitet, ist bislang nicht vollständig geklärt.

Die Architektur des Insulinrezeptors, dessen Einbettung in die Zellmembran und das komplexe Bindeverhalten des Insulins an den Rezeptor stellt die experimentelle Strukturaufklärung vor große Herausforderungen. Der Arbeitsgruppe um Dr. Ünal Coskun (Paul-Langerhans-Institut Dresden) gelang es erstmalig, die Konformations-änderung des Rezeptors nach Bindung des Insulins direkt mittels Elektronen-mikroskopie zu zeigen http://jcb.rupress.org/content/early/2018/02/15/jcb.201711047. Mit Ressourcen des ZIH sowie des CSC IT Center for Science (Finnland) arbeiten die Forschergruppen um Dr. Ünal Coskun und Prof. Ilpo Vattulainen (Universität Helsinki) in enger Kollaboration an einem computergestützten Ansatz, um den Insulinrezeptor zudem mit atomarer Auflösung zu studieren. Die Arbeitsgruppen konnten Modelle etablieren, um die atomistische Molekulardynamik (MD) des Insulinrezeptors in einer Zellmembran zu simulieren. Hierbei handelt es sich um rechnergestützte Simulationen, bei denen Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen und die sich daraus ergebende räumliche Dynamik in atomistischer Auflösung iterativ berechnet und dargestellt werden. Dabei ist auch die Membranumgebung definierbar, so dass Wechselwirkungen der Membran mit dem Rezeptor erfasst werden können. Die zu simulierenden Systeme sind von enormer Größe – ein Rezeptorprotein, knapp 2.000 Membranlipide, fast 500.000 Wassermoleküle und etwa 2.800 Ionen – und beinhalten in Summe über 1,7 Millionen Atome. Erste aufwendige und zeitintensive Berechnungen bestätigten die Robustheit und Stabilität dieser etablierten Modelle. Die parallel dazu laufenden experimentellen Ansätze ermöglichen die direkte Validierung der MD Simulationen und der getroffenen Vorhersagen (und umgekehrt).

Schlussendlich ist es das Ziel, die Funktionsweise des Insulinrezeptors in seiner natürlichen Membranumgebung zu entschlüsseln. Dieser interdisziplinäre Ansatz ermöglicht vollkommen neue Einblicke in den Aktivierungsmechanismus des Rezeptors und eröffnet gleichzeitig neue Strategien für die Entwicklung und Optimierung von Medikamenten.

Weitere Informationen:  https://tu-dresden.de/med/mf/plid/forschung/Coskun und http://prolipids.helsinki.fi/?page_id=76, März 2018

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Quanteneigenschaften auf den Grund gehen

TU Dresden, cfaed, Computational Nanoelectronics Group

Neuartige elektronische Technologien und Bauelemente zu erforschen hat sich das Center for Advancing Electronics Dresden zur Aufgabe gestellt. Dabei ist die fort-schreitende Miniaturisierung der Halbleiterstrukturen ein wichtiger Trend. Bauelemente basierend auf organischer Elektronik haben die Besonderheit, dass ihre Funktion auf den Eigenschaften einzelner Moleküle aufbaut die oft nur einen Nanometer groß sind und somit den Gesetzen der Quantentheorie gehorchen. Eine weitere spezielle Eigenschaft von organischen Halbleitern ist, dass die Moleküle beim Stromfluss schwingen und stark verzerrt werden. Dieser Effekt ist sowohl von fundamentaler Bedeutung für den Ladungstransport als auch für opto-elektronische Eigenschaften und ist unter der Bezeichnung Polaron-Effekt bekannt.

Diese komplexen Zusammenhänge mit Hilfe von HPC-Simulationen im Detail zu untersuchen hat sich die Arbeitsgruppe um Dr. Frank Ortmann (TU Dresden) vorgenommen. Die genaue Beschreibung dieses Effektes gelang kürzlich für eine Reihe von molekularen Strukturen und wurde mit Kollegen an der TU Dresden und weltweiten Partnern auch experimentell nachgewiesen. Dabei haben die Forscher die mit Hilfe der Simulationen vorhergesagte Polaron-Verzerrung in organischen Solarzellen untersucht und konnten hierbei erstmals die vorhergesagten Quanteneigenschaften genau bestimmen. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b12857 Dieser für die Funktion von Solarzellen und Transistoren entscheidende Effekt kann künftig beim Design verbesserter Materialien für die organische Elektronik berücksichtigt werden.

Weitere Informationen: https://cfaed.tu-dresden.de/ortmann-home, November 2017

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Abtrennung von schwerem und superschweren Wasserstoff

Universität Leipzig, AK Prof. Thomas Heine, Lehrstuhl für Theoretische Chemie

Die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium sind wichtige Marker in der Chemie, Biochemie und in anderen wissenschaftlichen Disziplinen, sowie essentielle Komponenten von Nuklear-brennstoff zur Kernfusion. Gleichzeitig ist Tritium eine wesentliche Komponente des radioaktiven Abfalls, insbesondere von Schwerwasser-Kernreaktoren.
Wir entwickeln Materialien zur Separation von Wasserstoffisotopen auf Grundlage nuklearer Quanteneffekte in porösen Materialien (metallorganischen Gerüstverbindungen und Zeolithen) und in Membranen aus zweidimensionalen Kristallen (Graphen, hexagonalem Bornitrid, Übergangsmetall-dichalcogeniden etc.), die die Produktion von hochreinem Deuterium und das Einfangen von Tritium aus Gasmischungen von Wasserstoffisotopologen ermöglichen.

Unsere Arbeiten erlauben es, den Großteil der Experimente ohne Einsatz radioaktiven Tritiums durchzuführen. Stattdessen werden in Experimenten die nichttoxischen Isotope Protium und Deuterium verwendet. Mit den gewonnenen Daten werden unsere theore-tischen Methoden validiert, die dann fundierte Aussagten über Prozesse und Material-verhalten in Bezug auf Tritium erlauben.

Die Ressourcen des ZIH Dresden fördern somit einen umweltfreundlichen Forschungs-ansatz, in dem, wann immer es möglich ist, der Einsatz gefährlicher Prozeduren oder Substanzen vermieden wird. Anstatt dessen dient Theorie als Verbindung zwischen verschiedenen experimentellen Disziplinen sowie als Methode zur Vorhersage von potenziell gefährlichen Prozessen.

Das bislang beste Material zur Abtrennung Tritium-haltiger Wasserstoffisotopologe wurde in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Stuttgart (AK Hirscher), der Universität Augsburg (AK Volkmer) und dem Oak Ridge National Laboratory (AK Ramirez-Cuesta) entwickelt. Es handelt sich hier um eine metallorgani-sche Gerüstverbindung mit aktiven Kupferionen, die stark mit molekularem Wasserstoff wechselwirken. Bei relativ hohen Temperaturen von 100 K können schwere Wasserstoff-isotopologe aus der Gasphase eingefangen und somit die radioaktiven Tritiumkerne abgeschieden werden. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen und als Open-Access-Publikation für jedermann zugänglich.

Originaltitel der Veröffentlichung in "Nature Communications":
"Capture of heavy hydrogen isotopes in a metal-organic framework with active Cu(I) sites", DOI: 10.1038/ncomms14496
Quelle:  Thomas Heine, Universität Leipzig, November 2017

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First-principles Rechnungen zur Energetik und Kinetik von Defekten und Nanoclustern in Eisenlegierungen

Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), Bautzner Landstr. 400, 01328 Dresden

Die genaue Kenntnis des Verhaltens von Gitterdefekten und Fremdatomen in Fest-körpern ist entscheidend für praktische Materialanwendungen. Die Verwendung von theoretischen Methoden wie der first-principles Dichtefunktionaltheorie (DFT) ergänzt experimentelle Analysen in vorteilhafter Weise. In diesem Projekt werden mittels DFT zwei Fragestellungen von allgemeinem Interesse in der Festkörper- und Materialphysik untersucht: (i) Die Diffusion eines Fremdatoms unter dem Einfluss anderer Fremdatome (s. Fig. 1). (ii) Die Struktur und Energetik von Nanoclustern, die aus Defekten und Fremdatomen bestehen und sich in einem bestimmten Wirtskristall befinden (s. Fig. 2). Hier wird kubisch raumzentriertes Eisen als Wirtsmaterial betrachtet was durch vielfältige Anwendungen von Eisenlegierungen mit einem geringen Anteil von Fremdatomen motiviert ist.

Fig.1 zeigt die Energiebarrieren, die ein Sauerstoffatom in reinem Eisen (grüne gestrichelte Linie) und in der Umgebung eines Titan-Fremdatoms (schwarze durchgezogene Linie) bei der Diffusion überwinden muss [a]. Die Zahlen bezeichnen die möglichen Nachbarpositionen von Sauerstoff (rot) bezüglich des Titanatoms (grün). Auf Grund der starken Bindung zum Titanatom in der ersten und zweiten Nachbarposition wird die Diffusion von Sauerstoff stark verlangsamt. Das wurde auch durch die Bestimmung des  Diffusionskoeffizienten mit Hilfe von Kinetischen-Monte-Carlo-Simulationen nachgewiesen.

Fig. 2 illustriert die Beiträge der Phononenanregungen oder Gitterschwingungen (dicke Linie) sowie der Summe von Phononen- und Elektronenanregungen zur freien Bindungsenergie von Leerstellen- und Kupferclustern in Eisen, in Abhängigkeit von der Temperatur. Positive/negative Energie bedeutet Abstoßung/Anziehung, daher führt der kombinierte Effekt von Phononen- und Elektronenanregungen zum Verlust der Stabilität der Cluster, wenn die Temperatur ansteigt. Bei 1000 K ist dieser Verlust (bezogen auf die Bindungsenergie im Grundzustand) 14 bzw. 18% für v₃ and v₄, für Cu₃ und Cu₄ ist er 36 bzw. 45% [b,c].

[a] X. Wang et al., unpublished results
[b] D. Murali, M. Posselt, M. Schiwarth: First-principles calculation of defect free energies: General aspects illustrated in the case of bcc Fe, Phys. Rev. B. 92, 064103 (2015).
[c] M. Posselt, D. Murali, M. Schiwarth: Influence of phonon and electron excitations on the free energy of defect clusters in solids: A first-principles study, Comp. Mater. Sci. 127, 284 (2017).

Funded by the Helmholtz Association within the POF III funding scheme (Matter: From Matter to Materials and Life: In-house research on structure, dynamics and function of matter at large scale facilities), as well as by the China Scholarship Council.

Der Leiter des Projekts (Dr. Posselt) ist Mitglied des Dresdner Zentrums für Computational Materials Science (DCMS) unter der Leitung der TU Dresden. Das HZDR ist Mitglied des Dresdner Concept Consortium.
(November 2017)

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Jagen und Sammeln neuartiger Viren im großen Maßstab

TU Dresden, Institut für Medizinische Informatik und Biometrie,
in Koop. mit Universität Heidelberg, Abteilung für Molekulare Virologie

Ein besseres Verständnis der Entstehung und Entwicklung krankheitserregender Viren ist sowohl für das Gesundheitswesen als auch für die Landwirtschaft und die biologische Grundlagenforschung von enormer Bedeutung. Genauere Einblicke in diese Prozesse der viralen Evolution zu erlangen ist jedoch oft stark erschwert, da unser Wissen über Viren deren tatsächliche Vielfalt in der Natur nur lückenhaft und verzerrt widerspiegelt. Mit dem Ziel dies langfristig zu ändern, haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg und der TU Dresden über 125.000 Sequenzierprojekte verschiedenster Tierarten in einer riesigen Datenbank durchforstet und dabei dutzende neue Viren entdeckt. Sie machten es sich dabei zunutze, dass die Genome der Viren versehentlich mitentschlüsselt wurden, wenn die Proben von infizierten Tieren stammten. Für die Analyse der rund 160 Terabyte an Daten waren aufwendige und zeitintensive Berechnungen nötig, welche auf dem HPC-System Taurus des ZIH durchgeführt wurden. Die neu entdeckten Viren umfassen zusammen mit ihren bereits bekannten Verwandten rund 400 Millionen Jahre an Evolution und bringen wichtige Einblicke in die Entstehung des humanen Hepatitis B virus, welches weltweit schätzungsweise 250 Millionen Menschen infiziert hat und viele hunderttausend Todesopfer pro Jahr fordert. Da bisher nur ein sehr kleiner Teil der verfügbaren, mehrere Petabyte (10¹⁵) umfassenden Sequenzierdaten durchsucht worden sind, erhoffen sich die im Projekt involvierten Wissenschaftler viele weitere spannende Entdeckungen für die Zukunft. Schlussendlich ist es ihr Ziel dazu beizutragen, den Normalzustand des menschlichen Viroms zu definieren und zu verstehen, inwiefern Abweichungen von diesem Normalzustand mit Gesundheit und Krankheit in Zusammenhang stehen.

Für weitere Informationen: chris.lauber _at_ tu-dresden.de / stefan.seitz _at_ med.uni-heidelberg.de
Literatur: Lauber C, Seitz S et al. (2017) Cell Host Microbe
(September 2017)

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Gaia Calibration and Relativity Tests

TU Dresden, Institut für Planetare Geodäsie, Prof. für Astronomie

Die ESA Cornerstone Mission „Gaia“ hatte am 14. September 2016 ihre ersten Daten veröffentlicht. In Fachkreisen wird dieses Ereignis als revolutionär angesehen und mit Spannung erwartet. Gaia ist eine Raummission, deren Hauptziel es ist, 3-Dimensionale Positionen und Eigenbewegungen von etwa einer Milliarde Sternen im Weltraum zu bestimmen. Dabei wird eine Genauigkeit der Winkelmessung von bis zu zehn pico-Radian erreicht. Das Lohrman-Observatorium an der TU Dresden hat unter Nutzung einer erheblichen Menge an CPU-Zeit auf dem HPC-System Taurus des ZIH wesentlich dazu beigetragen, die Qualität der astrometrischen Lösung zu verbessern. Die astrometrische Lösung, die Positionen, Geschwindigkeiten und Entfernungen der beobachteten Objekte liefert, ist eine der größten Berechnungen in der Geschichte der Astronomie. Etwa zehn Milliarden Parameter sollen aus einer Billion Beobachtungen bestimmt werden. Für die Dresdner Forscher waren dafür v.a. die mit ein bzw. zwei Terabyte RAM bestückten Cluster-Knoten hilfreich, die es ermöglicht haben, spezielle Tests durchzuführen, die für die Untersuchung und Beseitigung systematischer Fehler in der astrometrischen Lösung einen entscheidenden Erkenntnisgewinn geliefert haben. Weitere Informationen: https://tu-dresden.de/bu/umwelt/geo/ipg/astro/raumastrometrie