Forskare och ingenjörer på världens främsta teknikföretag, forskningslaboratorier, universitet och högskolor, använder dagligen mjukvaruprogram för att göra beräkningar av värmeledning, strömningsmekanik, elektromagnetism, hållfasthet och kemiteknik. En hel del av detta har direkt bäring på hållbar utveckling, exempelvis vad det gäller att på ett effektivt sätt utnyttja material och energi, men också inom områden där det rör sig om att kartlägga och förebygga föroreningar.

COMSOL Multiphysics används över hela världen

”Ursprungsidén till programvaran COMSOL Multiphysics kom från professor Germund Dahlquist på Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm. Under 1980-talet började han använda persondatorer för att lösa partiella differentialekvationer, alltså den matematiska beskrivningen av naturlagarna. Svante Littmarck hade Germund Dahlquist som handledare under sin doktorandtid på KTH och fick tillsammans med några doktorandkollegor idén att starta ett företag med inriktning på programmering”, berättar Mikael Fredenberg på COMSOL AB.

”Bolaget fick stöd från inkubatorverksamheten Teknikhöjden och har nu efter diverse fram- och motgångar expanderat till 20 dotterbolag och cirka 400 anställda i Europa, USA, Indien, Kina och Sydamerika. Svante Littmarck är koncernchef för COMSOL och VD för den amerikanska delen och den tidigare doktorandkollegan Farhad Saeidi är VD för det svenska moderbolaget. Vår produkt heter COMSOL Multiphysics. Med hjälp av den programvaran kan man modellera och simulera multifysiska problem. Vi har fler än 100 000 användare över hela världen”, fortsätter Mikael.

Svante Littmarck och Farhad Saeidi. Foto Anette Andersson.

Svante Littmarck och Farhad Saeidi. Foto Anette Andersson.

”En av våra största kommersiella kunder är den amerikanska rymdflygstyrelsen NASA, men programvaran används vid utvecklingen av högteknologiska produkter i de mest skiftande sammanhang. Vi ser också det som viktigt att studenter får tillgång till COMSOL Multiphysics och har exempelvis avtal med KTH, Chalmers och Stanford och MIT i USA.”

”Användningsområdena är många och rör simulering, modellering och visualisering av olika fysikaliska och kemiska problem. Det kan exempelvis röra elektromagnetiska beräkningar, halvledartillverkning, elektrokemiska sensorer, hållfasthetsberäkningar, värmeledning, vätskeflöden, rymdteknik, kemiteknik och mycket annat. Inom miljöområdet finns det också många användningsområden, bland annat, avsaltning av havsvatten, vattenrening, simulering av hur marföroreningar sprids, samt utveckling av effektiva och säkra batterier”, avslutar Mikael Fredenberg.

Lättare för kemisten

Matematik och kemi hör ihop när det gäller att förstå komplicerade reaktioner. Genom att laborera i datorn spara kemisten tid och minskar användningen av kemikalier. Kemiberäkningar som tidigare kunde ta dagar eller veckor kan nu simuleras på några minuter med hjälp av mjukvara från COMSOL (Chemical Reaction Engineering Module). Kemisten skriver in de kemiska reaktionsformlerna som ska undersökas och beräkningarna baseras därefter bland annat på information om reaktioners termodynamik och transportegenskaper.

Olika material- och energibalanser kan simuleras vilket ger ökad förståelse för kemiska sammanhang och ger möjlighet att leta lösningar på kemiska problem på ett helt annat sätt än tidigare. I praktiken kan man optimera reaktionskärl, blandnings- och filtreringsutrustningar och andra komponenter och förhållanden i en kemisk process. Bra för kemisten och processingenjören men också något som skapar miljöfördelar – lägre risker, effektivare utnyttjande av råvaror och energi, minskad mängd avfall är några exempel på vad som kan åstadkommas med effektiv design av kemiska processer.

Minimera risken för dammolyckor

Vid gruvbrytning uppstår ett starkt förorenat slam som förvaras i dammar (anrikningsdamm – tailing dam). Slammet är så giftigt att det inte kan  transporteras bort från dammen och den måste därför konstrueras för att hålla i hundratals till tusentals år. Tyvärr är det inte alla dammar som klarar detta utan de kollapsar förr eller senare. Los Frailes i Spanien år 1998, Aitikdammen i Sverige år 2000 och Kolontárdammen i Ungern år 2010 är några exempel på dammolyckor med betydande miljökonsekvenser.

Valentina Gonzales och Henrietta Åberg vid KTH genomförde 2012 en studie av anrikningsdammen Sijiaying, som är en uppströms damm vid en järngruva i Heibe-provinsen i Kina. Målet var att undersöka säkerheten vad det gäller stabilitet och transport av föroreningar. Forskarna använde COMSOL för att skapa tre modeller av en sektion av dammen med olika förutsättningar vad gäller vattenflöde, jordmekanik och transport av föroreningar. Simuleringarna visade att dammen under de givna förutsättningarna var stabil, något som naturligtvis var tillfredsställande ur säkerhets- och miljösynpunkt.

Mindre buller

Buller från vindkraftverk

Det satsas stort på vindenergi i många länder men det är inte alltid som de närboende uppskattar att få ett vindkraftverk som granne. Ett vanligt klagomål rör buller och Xi Engineering Consultants Ltd har specialiserat sig på de komplexa vibrationer som uppstår i ett vindkraftverk. Vibrationerna kommer bland annat från växellådan och förstärks av ståltornet, något som uppfattas av omgivningen som störande buller.

Genom att använda COMSOL för att skapa en modell av vindkraftverket kunde ingenjörerna lokalisera de områden i konstruktionen som förstärkte bullret och testa alternativa utföranden. En lösning för att minska bullret var att klä stålcylinderns insida med ett ljuddämpande material. För att hålla kostnaderna nere använde man COMSOL för att beräkna minimimängden ljuddämpande material som behövdes för att klara miljölagstiftningens bullergräns.

Asfaltytor som solfångare

Bolaget NCC är intresserat av att undersöka olika lösningar till uppvärmning av byggnader. Ett alternativ till konventionella solfångare kan vara att använda outnyttjade ”gratisytor” av asfalt som solfångare, exempelvis parkeringsplatser. Värmen i asfaltsytan fångas upp under sommarhalvåret med hjälp av vätskefyllda rör i asfalten. Den uppvärmda vätskan i rören leds ner och avger värmen i ett borrhålslager. Där lagras värmen och kan sedan användas för uppvärmning av närliggande byggnader under vinterhalvåret med hjälp av en värmepump.

För att göra simuleringar av värmeupptaget i asfaltytan använde NCC, tillsammans med forskare på Chalmers, COMSOL Multiphysics. En intressant iakttagelse var att asfaltsolfångaren gav ökad verkningsgrad hos värmepumpen och att temperaturen på vätskan i borrhålslagret blev högre än i en vanlig bergvärmeanläggning. Även utsläppen av koldioxid blev lägre jämfört med en traditionell bergvärmeanläggning.

Bilbatterier för elbilar

Dr. Songrui Wang är forskare vid Tianjin Institute of Power Sources, och arbetar med säkerhetsaspekter på batterier. Hon analyserar riskerna med bränder i litiumjonbatterier, alltså en typ av batterier som är mycket vanliga i elbilar, eldrivna cyklar, handredskap, mobiltelefoner och andra applikationer.

comsol3

Bilden visar bland annat värmefördelningen i en uppsättning av litiumjonbatterier. Källa: COMSOL

Dr. Wang använder COMSOL Multiphysics för att skapa modeller för hur litiumbatterierna uppträder under situationer där batteriet varken avger eller tar emot energi från omgivningen (adiabatiskt tillstånd). Simuleringarna har minskat behovet av farliga och dyra experiment och bidragit till utvecklingen av säkrare och effektivare batterier för elbilar.

Ökad förståelse för hur markföroreningar sprids

I förorenad mark är det många fysikaliska, kemiska och biologiska processer som samspelar. Föroreningarna transporteras med vatten, adsorberas till markpartiklar och bryts samtidigt ner av olika kemiska och biologiska processer. Här kommer ett exempel: I en gammal kemisk fabrik lagras klorerade lösningsmedel (trikloretylen) i en underjordisk tank. Korrosionen har under årens lopp medfört att det bildats massor med mikroskopiska hål i tanken och ungefär två kg av ämnet läcker ut per år och kvadratmeter från tanken. Läckaget har pågått under 10 år och nu gäller det att beräkna hur föroreningen spridits i mark- och grundvattensystemet.

Ovanstående är ett exempel på hur studenter vid en teknisk högskola tränas att använda COMSOL för att beräkna spridningen av trikloretylen och visualisera den i tre dimensioner. På liknande sätt används multifysikprogrammet av miljökonsulter för att kartlägga olika typer av markföroreningar och ta fram effektiva saneringsmetoder.

Artikeln publicerades i augusti 2014