„Elektrizität einfangen“ im Wasser, eine neue Art grüner Energie schaffen | Interview mit Akademiker Guo Wanlin

Als größtes Wasserkraftwerk der Welt versorgt das Drei-Schluchten-Stausee-Projekt zehn Provinzen und Städte in Ostchina täglich mit einer Milliarde Kilowattstunden Strom. Doch aufgrund des steigenden Energiebedarfs und des Klimawandels bleibt die Energieproduktion des Landes noch immer hinter den Erwartungen von Nikola Tesla, dem Erfinder der Wasserkrafttechnologie, zurück. Tesla sagte einmal: „Elektrizität ist überall und unerschöpflich; sie kann alle mechanischen Geräte der Welt antreiben, ohne auf Kraftstoff angewiesen zu sein.“

Der Kern der von Professor Guo Wanlin, Direktor des Instituts für Nanowissenschaften an der Universität für Luft- und Raumfahrt Nanjing und Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erfundenen Wasserkrafttechnologie besteht in der Stromerzeugung durch Prozesse wie Wasserverdunstung und die Bewegung von Wassertropfen auf der Oberfläche von Nanomaterialien. Die National Science Review hat vor Kurzem den Akademiker Guo interviewt und ihn gebeten, eine ausführliche Einführung in die Wasserkraft zu geben und einen Ausblick auf das Potenzial dieser Technologie beim Übergang von fossiler Energie zu erneuerbarer Energie zu geben.

NSR : Vielen Dank, dass Sie sich für unser Interview bereit erklärt haben. Wie hat sich die Hydrodynamik aus Ihrer Forschung zu Materialien für die Luft- und Raumfahrt entwickelt?

Guo Wanlin : Ich habe mein Studium an der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik der Northwestern Polytechnical University abgeschlossen. Ich beschäftige mich seit vielen Jahren mit der Forschung im Bereich der Werkstoffstrukturtechnik für die Luft- und Raumfahrt. Im Flugzeugbau werden seit dem 19. Jahrhundert metallische Werkstoffe wie Stahl verwendet und Luftfahrtingenieure begannen in der Folge, die Festigkeit solcher Werkstoffe und die Sicherheit von Flugzeugstrukturen zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass Legierungen wie Stahl auch bei wiederholter Belastung ermüden und brechen können. Das Konzept der Ermüdung existierte früher nur in den Biowissenschaften, aber auch Metalle können ermüden. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Ursache für die Oberflächenermüdung von Metallen darin liegt, dass diese Materialien unter äußerer Belastung ungleichmäßige lokale Dehnungen erzeugen. Da Flugzeugmaterialien sowohl fest als auch zäh sein müssen, ist eine lokale Dehnungsinhomogenität erforderlich. Allerdings führt die Inhomogenität auch zu einer Ansammlung von Plastizität, die schließlich zum Aufbrechen der chemischen Bindungen des Metallmaterials führt. Auf der atomaren und Quantenebene verbinden Elektronen Atome zu Molekülen und bilden so Materialien auf makroskopischer Ebene. Unsere Forschungen zum Thema Ermüdungsbrüche bei Materialien für die Luft- und Raumfahrt in den letzten 30 Jahren haben uns in eine neue Forschungsrichtung geführt. Beim Übergang von der Mechanik im makroskopischen Maßstab zur Quantenmechanik im mikroskopischen Maßstab entdeckten wir Phänomene in der Hydrodynamik. Beispielsweise können sich Kohlenstoffnanoröhren unter der Einwirkung eines externen elektrischen Felds um 20 % dehnen. Weitere eingehende Experimente haben außerdem gezeigt, dass äußere Kräfte, Wärme und Magnetfelder die Quantenzustände der Verteilung und die Orbitaleigenschaften von Elektronen in Materialien verändern können. Diese Veränderungen beginnen typischerweise an den Schnittstellen zwischen heterogenen Bereichen innerhalb des Materials. Insbesondere hängt die Zähigkeit eines Materials von den Wechselwirkungen an seinen inneren Grenzflächen ab.

An einer Universität für Luft- und Raumfahrt konzentrieren wir uns natürlich auf die Schnittstelle zwischen Flugzeugtriebwerken und Luft und untersuchen die Beziehung zwischen dieser Schnittstelle und dem Triebwerksschub. Anschließend erweiterten wir die Experimente auf die Wechselwirkung zwischen Funktionsmaterialien und Wasser und untersuchten die Wechselwirkung von Wasserströmung, Tropfenbewegung und Verdunstung mit elektrischen Ladungen. Zum Lebensumfeld des Menschen gehören die Schritte des Wasserkreislaufs wie Verdunstung, Niederschlag, Flüsse und Meereswellen. Diese Prozesse absorbieren Energie von der Sonne. Wenn wir diese Energie durch die Wechselwirkung von Wasser mit Materialien direkt in Elektrizität umwandeln, nennen wir dies „Hydrovoltaik“, ähnlich wie Photovoltaik. Kurz gesagt beginnt unser Forschungsschwerpunkt bei Ermüdung und Bruch auf makroskopischer Ebene und erstreckt sich bis zu den mikroskopischen Eigenschaften fester Grenzflächen, wie etwa der Mehrfeldkopplung. Anschließend richteten wir unsere Aufmerksamkeit auf Fest-Flüssig-Grenzflächen und entdeckten die Hydrovoltaik.

Abbildung 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme der hexagonalen Kristallstruktur von Graphen

NSR : Könnten Sie bitte den ersten Schritt des Wasserkraftexperiments vorstellen, das 2014 stattfand? Wie haben Sie entdeckt, dass ein Flüssigkeitstropfen ein elektrisches Potenzial erzeugen kann, wenn er auf einer Graphenoberfläche gleitet?

Wanlin Guo : Einer unserer Studenten führte ein Experiment durch, bei dem es um die Erzeugung von Elektrizität durch Reibung zwischen einem Luftstrom und einer Graphenoberfläche ging, und beschloss anschließend, ein ähnliches Experiment mit Flüssigkeiten durchzuführen. Frühere Experimente mit Kohlenstoffnanoröhren in Flüssigkeiten führten zwar zur Stromerzeugung, unsere ersten Experimente mit Graphen in einem Wasserstrahl waren jedoch nicht erfolgreich. Als wir das Graphen jedoch aus der Flüssigkeit nahmen und über die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche führten, stellten wir eine Spannung fest. Wenn ein Tropfen über die Graphenoberfläche gleitet, erkennen wir außerdem eine Spannung, die proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit ist. Die Entdeckung erregte bei ihrer Veröffentlichung im Jahr 2014 weltweit große Aufmerksamkeit.

NSR : Der nächste Schritt in dieser Forschungsrichtung besteht darin, den Mechanismus dieses Phänomens zu erklären. Welche Rolle spielt Graphen in diesem Prozess?

Guo Wanlin : Gemäß der klassischen Theorie der Elektrodynamik sammeln sich an der Fest-Flüssig-Grenzfläche negative Ladungen auf der Oberfläche des Festkörpers an und ziehen positive Ionen in der Flüssigkeit an die Grenzfläche, die als Adsorptionsschicht bezeichnet wird. Die negativen Ionen in der Flüssigkeit bilden dann neben der Adsorptionsschicht der positiven Ionen eine Diffusionsschicht. Darüber hinaus ziehen die positiven Ionen eine große Anzahl von Elektronen an die Oberfläche des Festkörpers, wodurch eine kondensatorähnliche Struktur entsteht. Bewegt sich ein Flüssigkeitstropfen entlang einer festen Oberfläche, lädt sich die kondensatorartige Struktur vor dem Tropfen weiter auf und entlädt sich dahinter. Dieser Zyklus erzeugt Elektronenbewegung und Potentialunterschiede im Festkörper. Die positiven und negativen Ionen in der Flüssigkeit bilden ein klassisches Zweischichtsystem. Um das vor und hinter dem Tropfen erzeugte Potenzial zu erklären, ist die Einbeziehung einer dritten Elektronenart in den Feststoff erforderlich. Dieses Drei-Ladungs-Modell stellt eine Erweiterung der Elektrodynamik zur Energiegewinnung dar.

NSR : Welche Faktoren beeinflussen die Spannung und Leistung bei Wasservoltaik-Experimenten? Wie können diese Parameter optimiert werden?

Guo Wanlin : Als wir anfingen, mit der Tröpfchenbewegung zu experimentieren, lag die Ausgangsspannung im Millivoltbereich. Die Ausgangsleistung liegt etwa im Nanowattbereich. Wenn wir das System jedoch mit einer Vorspannung polarisieren, können wir das vom Graphen erzeugte Potenzial erhöhen. Durch Optimierung der Schaltung konnte die Ausgangsspannung nochmals auf etwa ein Volt erhöht werden. Als nächstes platzierten wir einen Tropfen auf einer dielektrischen Oberfläche und durch die Ausbreitung des Tropfens entstand ein Kondensator. Die Ladung des Kondensators wird an den externen Schaltkreis abgegeben und die Ausgangsspannung liegt in der Größenordnung von mehreren hundert Volt. Dieser Fortschritt von Millivolt über Volt bis hin zu Hunderten von Volt wurde in weniger als 10 Jahren erreicht. Bei unseren jüngsten Experimenten fielen Wassertropfen mehrere zehn Zentimeter aus einem Wasserhahn und die Ausgangsspannung erreichte 1200 Volt.

Abbildung 2: Ein gleitender Wassertropfen (rechts) erzeugt einen Ladungsunterschied zwischen seinem vorderen und hinteren Ende; Ein ruhender Wassertropfen (links) hat an beiden Enden ausgeglichene Ladungen.

NSR : Der nächste Schritt in der Wasserkraftforschung ist die Stromerzeugung auf Basis der Wasserverdunstung. Wie funktioniert es? Wie ist seine Wirksamkeit im Vergleich zum Tröpfchenbewegungsprozess?

Guo Wanlin : Das Wasser auf der Erde erhält 70 % der Sonnenstrahlung, die Hälfte davon wird für die Wasserverdunstung verwendet. Mit zunehmendem Klimawandel nimmt auch die Verdunstung zu, sodass der Wasserkreislauf enorme Energiemengen enthält, die zur Stromerzeugung genutzt werden können. Um diesen Prozess zu demonstrieren, haben wir ein Experiment entworfen: Wir haben einen Streifen aus porösem Kohlenstoffmaterial auf ein Quarzsubstrat gelegt. Anschließend haben wir eine Reihe von Elektroden am Rand dieses Materials angebracht und die Hälfte davon in Wasser getaucht. Durch die natürliche Kapillarwirkung wird das Wasser zum Material gezogen und die wasserbenetzte Fläche steigt entlang des Streifens an. Die von uns in verschiedenen Bereichen gemessenen Spannungsverteilungen zeigten die Charakteristika dieses Phänomens: Zwischen den beiden untersten, ins Wasser eingetauchten Elektroden herrschte keine Spannung, und zwischen den beiden obersten, über dem Kapillarbereich liegenden Elektroden herrschte keine Spannung. Jeder Abschnitt innerhalb des Kapillarbereichs weist eine allmählich ansteigende Spannung auf, und die Summe aller Abschnitte ergibt die Gesamtspannung zwischen den beiden Enden des Streifens.

Basierend auf unseren früheren Experimenten zur Stromerzeugung aus bewegten Tropfen lautet unsere Hypothese, dass der zugrundeliegende Mechanismus dieses Prozesses der Wasserfluss im Streifen ist, der eine Quelle verdunstenden Wassers aufrechterhält. Die nächste Versuchsreihe zeigte uns den Zusammenhang zwischen der von uns gemessenen Spannung und der Verdunstung von Wasser. Erstens verschwand die durch die Verdunstung erzeugte Spannung innerhalb von 1.000 Sekunden, als das Wasser im Behälter vollständig versiegelt war. Beim Öffnen des Behälters erholte sich die Spannung. Darüber hinaus wird die Spannung durch Umgebungsbedingungen beeinflusst. Wind, erhöhte Temperatur und verringerte Luftfeuchtigkeit können die Ausgangsspannung erhöhen. Angesichts des sich verschärfenden Klimawandels sollten wir diese Faktoren in der Natur voll ausnutzen, um die Effizienz der Stromerzeugung durch Verdunstung zu optimieren, indem wir möglichst viel Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen und in Elektrizität umwandeln. Bei erfolgreicher Umsetzung im großen Maßstab könnte die Stromerzeugung durch Wasserkraft möglicherweise die Auswirkungen des Klimawandels mildern und Strom liefern.

NSR : Einer der neuesten Fortschritte Ihrer Forschung ist die Entwicklung eines Verbundmaterials, das Feuchtigkeitsaufnahme und -verdunstung kombiniert. Inwieweit kann dadurch die Effizienz des Wasserkraftprozesses verbessert werden?

Guo Wanlin : Die Herausforderung, vor der die Stromerzeugung durch Wasserverdunstung stehen könnte, ist ihre Nachhaltigkeit in der natürlichen Umwelt. In Gebieten ohne Wasserquellen wie Seen oder Flüsse muss die Quelle des verdunstenden Wassers beispielsweise die Atmosphäre selbst sein. Wenn sich das Klima erwärmt, wird die Atmosphäre feuchter. Um diesen Vorteil zu nutzen, schlagen wir ein Gerät vor, das Feuchtigkeitsaufnahme und -verdunstung kombiniert. Die hygroskopische Funktion wird durch die hygroskopische Schicht auf dem mit Lithiumchlorid imprägnierten Zellulosepapier erreicht; die Verdunstungsfunktion wird durch die hydrophobe Schicht des mit Ruß dotierten Zellulosepapiers erreicht. Das Verbundgerät nutzt Lithiumchlorid zur Feuchtigkeitsaufnahme und Ruß zur Verdunstung, wodurch ein autarker Wasserkreislauf entsteht. Gleichzeitig wird durch die Feuchtigkeitsaufnahme Wärme freigesetzt und durch die Verdunstung Wärme aus der Umgebung absorbiert, wodurch ein Wärmekreislauf entsteht. Dieses Gerät kann die Effizienz der Stromerzeugung um das Zehnfache steigern, wobei die Ausgangsspannung den Voltbereich und der Ausgangsstrom den Milliamperebereich erreicht.

Abbildung 3: Durch die Verdunstung von Wasser entsteht eine Spannungsdifferenz über einem Streifen Ruß (links). Das doppellagige Verbundmaterial absorbiert und verdunstet gleichzeitig Feuchtigkeit (rechts).

NSR : Könnten Sie kurz die neuesten Entwicklungen im Bereich der Wasserkraftmaterialien vorstellen?

Guo Wanlin : Wir haben Graphen im Tröpfchenexperiment und Ruß im Verdampfungsexperiment verwendet. Es handelt sich bei allen um Kohlenstoffnanomaterialien. Bald wurde der Bereich der von uns verwendeten Materialien um Halbleiter, metallorganische Gerüste und Biomaterialien wie Proteinmembranen erweitert. Sie alle können als hydrophile Materialien verwendet werden. Der erste Schritt der Wasserkraftforschung besteht darin, diese Prozesse zu entdecken und herauszufinden, welche Materialien sie auslösen können. Im nächsten Schritt muss entschieden werden, welche Materialien am effizientesten und kostengünstigsten sind. Beispielsweise wurden die in frühen Tröpfchenexperimenten verwendeten Graphenflocken auf ein Fasersubstrat übertragen. Der Prozess der Graphenübertragung führt zu Inkonsistenzen hinsichtlich der Qualität und Anzahl der Schichten. Später gelang uns die direkte Synthese von Graphen auf dielektrischen Substraten und wir optimierten den Prozess mithilfe von Kupferacetat als Katalysator im chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren. Dadurch wird die Qualität des Graphens erheblich verbessert und das Wasserkraftmaterial eignet sich besser für die Massenproduktion.

NSR : Ein Kernthema bei der Photovoltaikumwandlung ist die Effizienz. Wie hoch ist derzeit der Wirkungsgrad der Umwandlung in Wasserkraft?

Guo Wanlin : Im Bereich der Photovoltaik liegt der theoretische Maximalwirkungsgrad etwas über 30 %. Wir nähern uns dieser Grenze durch eine Kombination von Silizium- und Perowskit-Technologien. In weniger als 10 Jahren hydrodynamischer Entwicklung haben wir den Wirkungsgrad von 1/1000 auf 10 % gesteigert.

Als wir die mechanische Energie von Wassertropfen in Strom umwandelten, erhöhte sich unser experimenteller Wirkungsgrad von etwa 10 % auf 20 %. Anders als bei der Stromerzeugung durch Wasserverdunstung handelt es sich hierbei um einen natürlichen Vorgang, der keiner externen Arbeit bedarf. Der Verdunstungsprozess setzt sich im Wasserkreislauf fort und die Menge der umgewandelten Energie wird nur durch die Umwandlungstechnologie begrenzt. Theoretisch messen wir unseren Umwandlungswirkungsgrad anhand der elektrischen Leistungsabgabe pro Flächeneinheit, wobei die aktuellen Werte bei etwa 1 Watt pro Quadratmeter liegen. Wenn wir die gesamte vom flüssigen Wasser absorbierte Wärme als Nenner nehmen, beträgt die Effizienz der Energieumwandlung bei der Verdampfung nur etwa 1/1000, da der Großteil der Wärme für die Phasenänderung des Wassers von flüssig zu gasförmig verwendet wird. Daher besteht noch viel Raum für Optimierungen. Wenn wir dieses Verhältnis auf 1 % erhöhen können, beginnen wir ein neues Zeitalter der Wasserkraft.

NSR : Ein weiteres Ihrer aktuellen Forschungsthemen ist die Unterwasseraufklärung. Erzählen Sie uns bitte ein wenig darüber, wie dies mit der Neurowissenschaft zusammenhängt.

Guo Wanlin : Wir gehen davon aus, dass sich die Hydrodynamik in drei Zweige weiterentwickeln wird: hydrodynamische Energie, hydrodynamische Ökologie und hydrodynamische Intelligenz. Unsere Welt hat sich vom mechanischen Zeitalter zum elektrischen Zeitalter und dann zum Informationszeitalter entwickelt. Jetzt befinden wir uns im Übergang zum intelligenten Zeitalter. Als wir die Quellen der Intelligenz untersuchten, stellten wir fest, dass das menschliche Gehirn zu 70 bis 80 % aus Wasser besteht. Unsere neuronalen Netzwerke bestehen aus Milliarden von Neuronen, von denen jedes ebenfalls zu 70 bis 80 Prozent aus Wasser besteht. Wie empfängt ein solches System Reize, gibt elektrische Signale ab, speichert Erinnerungen und bildet letztendlich das Bewusstsein? Beim Übergang vom Informationszeitalter zum intelligenten Zeitalter ist dies ein wichtiger Bereich, auf den sich die wissenschaftliche Forschung in Zukunft konzentrieren sollte. Was wir vom menschlichen Gehirn lernen, kann die Entwicklung künstlicher Intelligenz beeinflussen. Der klassischen Neurowissenschaft zufolge entstehen elektrische Ladungen und Nervensignale im Gehirn durch die Bewegung von Kalium-, Natrium- und Kalziumionen im Wasser. Allerdings lässt sich mit dem derzeitigen Verständnis der Ionendynamik nicht vollständig erklären, wie das Gehirn Informationen erzeugt, speichert und verarbeitet. In der Hydrovoltaik, wo wir die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Feststoffen von der quantenmechanischen über die atomare bis hin zur biomolekularen Ebene untersuchen, haben wir herausgefunden, dass die Bewegung von Ionen im Gehirn durch Wasser reguliert oder gesteuert wird. Diese Forschungsrichtung wird Physik, Chemie und Biologie kombinieren. Ich denke, dass sich die Zukunft der Neurowissenschaften definitiv auf diesen Bereich konzentrieren wird.

NSR : Sie untersuchen auch die Wechselwirkung zwischen Neurotransmittern und Zellmembranen. Wie verläuft in Ihrer Forschung der Übergang von künstlichen zweidimensionalen Materialien wie Graphen zu natürlichen Filmen?

Guo Wanlin : In der wissenschaftlichen Grundlagenforschung untersuchen wir häufig Materialien und Prozesse in der Natur. Wenn wir die an der Zellmembran stattfindenden Aktivitäten untersuchen, ähneln die grundlegenden Mechanismen sehr stark den Hydrovoltaik-Experimenten, bei denen künstliche Materialien zur Stromerzeugung verwendet werden. Bei all diesen Prozessen stehen die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Ionen an der Grenzfläche zwischen Wasser und Feststoffen im Mittelpunkt. Wir gehen von denselben wissenschaftlichen Prinzipien aus, um von mikroskopischen elektronischen Eigenschaften zu makroskopischen elektromagnetischen Feldern und thermischen Eigenschaften zu gelangen. Insbesondere aus der Erforschung von Zellmembranen wissen wir, dass Zellmembranen eine zentrale Rolle in der Evolution des Lebens spielen. Sie sind Regulatoren, die den Fluss von Substanzen und Informationen in die Zellen hinein und aus ihnen heraus regulieren. Diese Aktionen werden von verschiedenen Proteinen in der Zellmembran ausgeführt. So haben wir beispielsweise vor Kurzem entdeckt, dass Neurotransmitter wie Dopamin, Endorphine und Leucin-Endorphin aromatische Seitenringe besitzen, die es ihnen ermöglichen, ungehindert in die Membranen von Neuronen einzudringen. Im Gegensatz dazu haben Acetylcholin und Asparaginsäure keine aromatischen Seitenringe und können nur in der extrazellulären Lösung diffundieren. Diese funktionelle Unterscheidung wird durch Proteine ​​erreicht, die in die Phospholipid-Doppelschicht der Zellmembran eingebettet sind.

NSR : Strukturbiologen haben die Funktionen von Molekülen auf Zellmembranen untersucht, beispielsweise den Ladungstransport. Welche neuen Erkenntnisse kann die Hydrodynamik hierzu liefern?

Guo Wanlin : Aus der klassischen Biologie entwickelte sich zunächst die Zellbiologie und dann mit der Entdeckung der Gene und der Art und Weise, wie Gene Proteine ​​produzieren, die Molekularbiologie. Durch die Kryo-Elektronenmikroskopie konnten wir die Strukturen von Proteinen erkennen und befinden uns nun im Zeitalter der Strukturbiologie. Nachdem Sie die Struktur gesehen haben, besteht der nächste Schritt darin, den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion zu verstehen. Insbesondere in der Neurowissenschaft möchten wir verstehen, wie Neuronen Informationen speichern und verarbeiten. Die Hydrodynamik geht in der Neurowissenschaft einen Schritt weiter, indem sie sich auf die Interaktion von Proteinen mit Ionen und Molekülen in der natürlichen Umgebung des Neurons konzentriert. Dies ist entscheidend für das Verständnis des Materie- und Informationstransports im Gehirn.

NSR : Welche Erkenntnisse können wir aus natürlichen Materialien wie Zellmembranen gewinnen, wenn wir künstliche Materialien synthetisieren?

Guo Wanlin : Wie bereits erwähnt, besteht eine wichtige Funktion der Zellmembran darin, den Energie- und Ionentransfer zu regulieren. In Wasserstoff-Brennstoffzellen ist die Schlüsselfunktion der Protonenaustauschmembran der einer Zellmembran sehr ähnlich. Auch bei Lithiumbatterien ist die Regulierung des Ionentransports entscheidend für die Leistungssteigerung, ohne die internen Komponenten zu beschädigen. Die Membrantechnik ist heute eine wichtige Richtung in der Forschung im Bereich erneuerbarer Energien.

NSR : Was sind Ihrer Meinung nach die wichtigsten Meilensteine ​​in der Wasservoltaik und wann werden sie praktische Anwendung finden?

Guo Wanlin : Als wir 2014 mit dem Tröpfchenexperiment und 2017 mit dem Verdunstungsexperiment begannen, konnten wir nur sehr schwache Effekte messen. Seit 2020 ist es uns gelungen, die Leistungsabgabe um 6 Größenordnungen und die Verdampfungsleistung um 3 Größenordnungen zu steigern. Innerhalb weniger Jahre haben wir ein exponentielles Wachstum erreicht. Wenn wir diesem Trend folgen, gehe ich davon aus, dass wir in den nächsten drei bis fünf Jahren bahnbrechende Fortschritte erzielen könnten. Allerdings müssen wir zugeben, dass es etwa 100 Jahre gedauert hat, bis traditionelle Technologien wie Wasserkraft und Photovoltaik die heutige kommerzielle Anwendung fanden. Es ist unmöglich, die Entwicklung eines wissenschaftlichen Durchbruchs vorherzusagen, bevor er eintritt. Wir glauben jedoch, dass dieses Gebiet zu neuen Entdeckungen in der Physik und Chemie führen wird. Darüber hinaus nehmen mit dem fortschreitenden Klimawandel auch Wärme und Feuchtigkeit in der Umwelt zu, sodass die Menschheit mehr Ressourcen in die Entwicklung von Technologien zur Energiegewinnung aus der Umwelt investieren sollte. Die Wasservoltaik könnte sich zu einer riesigen Energiequelle entwickeln. Was die Aussichten der Unterwasserintelligenz angeht, glauben wir, dass der Erfolg der künstlichen Intelligenz davon abhängt, welche Inspiration wir von der natürlichen Intelligenz des Menschen bekommen.

NSR : Sie haben kürzlich maschinelles Lernen eingesetzt, um die Eigenschaften von Legierungen vorherzusagen. Können Sie uns bitte etwas über diese Forschung erzählen? Welches Potenzial sehen Sie für Künstliche Intelligenz in der Materialwissenschaft?

Guo Wanlin : Die Entwicklung der künstlichen Intelligenz begann mit der Erfindung künstlicher neuronaler Netzwerke Mitte des 20. Jahrhunderts. Mithilfe moderner Computertechnologien wie Big Data spielen auf künstlicher Intelligenz basierende Methoden wie Deep Learning oder Machine Learning eine immer wichtigere Rolle in der Wissenschaft. Seit dem 15. Jahrhundert basiert die wissenschaftliche Forschung auf der Lösung von Differentialgleichungen als wichtigstem mathematischen Werkzeug. Die Probleme, die wir lösen müssen – von der Aerodynamik bis zur Quantenmechanik – beinhalten alle das Lösen von Differentialgleichungen. Unter gegebenen Anfangs- und Randbedingungen können wir diese Gleichungen mit einer endlichen Anzahl von Parametern lösen. Daher ist unsere Fähigkeit, die Natur mithilfe von Differentialgleichungen zu beschreiben, sehr begrenzt. Jetzt müssen wir uns auf künstliche Intelligenz verlassen und müssen uns mit Problemen auseinandersetzen, die auch komplexe Materialien wie Legierungen mit bis zu 16 Metallelementen einschließen. Die Anzahl der für diese Probleme erforderlichen Parameter übersteigt die Möglichkeiten traditioneller mathematischer Methoden, doch maschinelles Lernen in Kombination mit Big Data kann Zehntausende von Parametern verarbeiten und komplexe physikalische Prozesse in mehrdimensionalen Raum-Zeit-Systemen simulieren. Diese neuen Forschungsmethoden sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien, beispielsweise neuer Legierungen und Materialien für die Stromerzeugung durch Wasserkraft. In der Vergangenheit wurden Legierungsmaterialien durch Versuch und Irrtum entdeckt, doch mit diesen traditionellen Methoden war es unmöglich, alle möglichen komplexen Legierungsrezepturen zu testen. Mithilfe von maschinellem Lernen und einer kleinen Menge experimenteller Daten sind wir nun in der Lage, die Zusammensetzungsformeln von Hunderten von Legierungen im Zusammensetzungsraum von 16 metallischen Elementen vorherzusagen. Darüber hinaus können wir diese Effizienz jetzt mit höherer Präzision und ähnlicher Rechenleistung erreichen.

NSR : Haben Sie einen beruflichen Rat für Studenten der Mathematik oder Mechanik?

Guo Wanlin : Ich schlage vor, dass sie klassische Mechanik, Quantenmechanik und Mathematik nutzen, um eine solide Grundlage für die wissenschaftliche Forschung zu legen. Die beste Recherche gelingt mit einem Blatt Papier und einem Stift. In der modernen Gesellschaft kann ein Computer hinzukommen. Mit diesen Werkzeugen und Ihrem Verstand ist diese Art der Arbeit die kreativste. Ich rate den Studierenden, die fortschrittlichsten wissenschaftlichen Theorien als Ausgangspunkt zu nehmen, ihre eigenen wissenschaftlichen Fachgebiete zu schaffen, neue wissenschaftliche Grenzen zu erschließen und ihre eigenen Beiträge zur Wissenschaft zu leisten.

Die englische Originalversion dieses Artikels „Hydrovoltaics brings a new solution in alternative energy: an interview with Prof. Wanlin Guo“ wurde in der Interview-Kolumne der National Science Review (NSR) veröffentlicht.