EU Förderung

KI-gesteuerte digitale Zwillinge für Technologien zur Abfallverwertung

Das Projekt AIM, „AI-Multiscale Integration for Waste-to-Value Digital Twins“, war in der EIC-Pathfinder-Challenge-Ausschreibung zum Thema „Waste-to-Value-Anlagen: Kreislaufwirtschaftliche Produktion von erneuerbaren Kraftstoffen, Chemikalien und Materialien“ erfolgreich. Das Projekt wird für die kommenden vier Jahre mit fast 4 Millionen Euro von der Europäischen Union gefördert. Die Koordination übernimmt Prof. Dr. Núria López vom Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) in Spanien. Das Team des Projekts, das im Oktober 2026 gestartet ist, traf sich am 3. November in Barcelona zur Auftaktveranstaltung. An der Ruhr-Universität Bochum sind Dr. Yuncheng Mao, Dr. Nicolas Tancogne-Dejean und Prof. Dr. Silvana Botti an dem Projekt beteiligt. Sie sind Mitglieder des Interdisziplinären Zentrums für fortgeschrittene Materialsimulation (ICAMS) und des Forschungszentrums „Future Energy Materials and Systems“ (RC FEMS) der Universitätsallianz Ruhr. 

AIM wird als eines von acht Projekten im Rahmen der EIC-Pathfinder-Challenge zum Thema „Waste-to-Value“ gefördert, für die insgesamt rund 30,5 Millionen Euro an EU-Mitteln bereitgestellt wurden. Gemeinsam erforschen die Projekte verschiedene Wege, schwer recycelbare Abfälle in nützliche Produkte umzuwandeln – von der Aufbereitung gemischter Kunststoffe und der Rückgewinnung von Materialien aus Entsalzungssole bis hin zur Abwasserbehandlung und der Umwandlung von CO₂ in Chemikalien.

Digitale Zwillinge erlauben es, Ideen virtuell zu testen

Innerhalb dieses Portfolios kommt AIM eine besondere Rolle zu: Es ist das einzige Projekt, das sich mit der Entwicklung digitaler Zwillinge befasst. Mithilfe Künstlicher Intelligenz und Computersimulationen wird das Projekt virtuelle Modelle erstellen, die Prozesse auf atomarer Ebene mit dem Verhalten eines kompletten Geräts verknüpfen. Diese Modelle werden den anderen Projekten rechnerische Unterstützung bieten und deren Teams dabei helfen, die Funktionsweise ihrer Technologien zu verstehen und zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Materialien oder Betriebsbedingungen auf deren Leistung auswirken könnten.

Digitale Zwillinge ermöglichen es Forschenden, Ideen virtuell zu testen, verschiedene Ansätze zu vergleichen und potenzielle Probleme zu erkennen, bevor ein Gerät gebaut oder in größerem Maßstab umgesetzt wird. Dies könnte den Bedarf an kostspieligen physischen Versuchen verringern und Forschenden helfen, fundiertere Entscheidungen darüber zu treffen, welche Lösungen untersucht werden sollen, bevor sie zu Tests unter realen Bedingungen übergehen.

Dieser Ansatz ist hilfreich, da Europa darauf hinarbeitet, Abfall zu reduzieren, Emissionen zu senken und die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen zu verringern. Es geht um Lösungen, die helfen, fossile Rohstoffe durch alternative kohlenstoffbasierte Rohstoffe zu ersetzen, darunter auch Abfall.

Die Arbeit mit Abfällen ist jedoch herausfordernd, da die Materialien oft verunreinigt sind oder Stoffe enthalten, die ein herkömmliches Recycling erschweren. Zudem laufen bei Recyclingprozessen viele Vorgänge gleichzeitig und in sehr unterschiedlichen Größenordnungen ab: Auf atomarer Ebene finden Reaktionen statt, während sich gleichzeitig Materialien verändern, Transportprozesse ablaufen und die gesamte Anlage unter komplexen Bedingungen arbeitet.

Systeme als Ganzes verstehen

Bislang werden diese Ebenen oft getrennt voneinander untersucht, was es schwierig macht, detailliertes Wissen mit der tatsächlichen Leistung in Verbindung zu bringen. „Bei AIM wollen wir diese Systeme als Ganzes verstehen, nicht als einzelne Teile. Durch die Kombination von Künstlicher Intelligenz mit Multiskalen-Simulationen können wir die Vorgänge auf der kleinsten Ebene mit der Leistung des gesamten Geräts verknüpfen. Dies wird uns helfen, bessere und realistischere Technologien zur Verwertung von Abfall zu entwickeln“, sagt Núria López, Projektkoordinatorin.

Im Mittelpunkt von RC FEMS

Die Ziele von AIM decken sich weitgehend mit der Forschungsagenda des RC FEMS. Das Zentrum bringt Forschende der Ruhr-Universität Bochum, der Technischen Universität Dortmund und der Universität Duisburg-Essen zusammen, um Materialien und Systeme für eine nachhaltige Energiezukunft zu entwickeln. Ein zentraler Gedanke des RC FEMS ist, dass bessere Energietechnologien ein Verständnis erfordern, das von der atomaren Ebene bis hin zum funktionierenden Gerät reicht und Simulation, datengestützte Methoden und Experimente miteinander verbindet. Genau diese Brücke sollen die digitalen Zwillinge von AIM schlagen.

„Die Umwandlung von Abfall in Brennstoffe, Chemikalien und Werkstoffe hängt davon ab, wie sich Materialien auf atomarer Ebene verhalten und wie sich dieses Verhalten auf die Leistung eines realen Geräts auswirkt“, sagt Silvana Botti. „Diese Frage steht im Mittelpunkt von RC FEMS. Mit AIM fließen die Simulationsmethoden, die wir in Bochum entwickeln, direkt in ein europäisches Netzwerk von Technologien zur Verwertung von Abfall ein.“