I ricercatori della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Germania hanno creato un gemello digitale per i materiali fotovoltaici, nel tentativo di accelerare l’innovazione nell’industria manifatturiera del fotovoltaico.
I gemelli digitali sono utilizzati nelle scienze ingegneristiche per definire le controparti digitali di beni fisici esistenti. Sono concettualmente diversi dalle simulazioni multi-scala e sono comunemente usati per valutare lo stato attuale e futuro degli asset fisici attraverso sensori e modelli fisici in tempo reale.
“Cerchiamo di collegare la sperimentazione ad alto livello con la teoria”, ha dichiarato a pv magazine l’autore della ricerca, Ian Marius Peters. “Il particolare gemello digitale che immaginiamo va oltre la semplice rappresentazione dell’infrastruttura sperimentale che abbiamo, diventa esso stesso una parte di essa. La sfida che vogliamo affrontare è quella di ideare materiali completamente nuovi per applicazioni fotovoltaiche, dalla progettazione molecolare fino alla cella solare integrata. Per raggiungere questo obiettivo, dobbiamo essere in grado di selezionare rapidamente molte molecole, condizioni di lavorazione, pile di strati e condizioni operative diverse”.
Secondo Peters, la chiave è la combinazione di sperimentazione ad alto rendimento (HT) e modellazione teorica. “Dal punto di vista matematico, si tratta di un’ottimizzazione su più processi collegati tra loro con diverse scale di tempo e di lunghezza”, ha proseguito. “Il gemello digitale ora è una combinazione di vari modelli e routine di ottimizzazione, come l’ottimizzazione bayesiana e la regressione dei processi gaussiani. Questi vengono alimentati con i dati sperimentali nelle diverse fasi per consentire l’ottimizzazione”.
Questo strumento è stato concepito per consentire ai ricercatori e ai produttori un flusso di informazioni attraverso tutte le fasi. “Ad esempio, se vogliamo un materiale che sia intrinsecamente riciclabile con un certo processo, alimentiamo questa informazione nel gemello digitale, che ci permette di avviare il processo di progettazione delle molecole con le condizioni al contorno fornite dalla necessità di facilitare questo riciclo”, ha aggiunto Peters.
Nello studio “A digital twin to overcome long-time challenges in photovoltaics”, pubblicato su Joule, Peters e i suoi colleghi hanno spiegato che le innovazioni vengono spesso trovate nella ricerca fotovoltaica grazie alla “serendipità” e hanno affermato che le scoperte dirompenti saranno meno frequenti in futuro. Il gemello digitale proposto dovrebbe contribuire ad aumentare il numero di scoperte riducendo il divario tra i calcoli di primo principio e gli esperimenti, in quanto consente di prendere decisioni “informate” senza informazioni dirette su un determinato bene.
Le caratteristiche più importanti del gemello digitale proposto sono il rifiuto della ridondanza, la quantificazione dell’incertezza e la previsione in tempo reale. Si basa sulle piattaforme di accelerazione dei materiali (MAP), che dividono lo spazio sperimentale in molecole, film e dispositivi, e utilizza anche.
“Il gemello digitale mira a raggiungere la capacità di progettazione molecolare e di processo inversa per scoprire principi di progettazione e nuovi materiali con proprietà inedite, rispondendo a requisiti attualmente contraddittori”, ha spiegato il gruppo di ricerca. “Il gemello digitale ci permetterà di sfruttare esperimenti HT, capaci e veloci, utilizzando surrogati a cascata per prevedere le proprietà su più scale ed estrarre soluzioni ottimizzate”.
In prospettiva, gli scienziati affermano che la fusione tra laboratori e scale sarà cruciale per migliorare la validazione dei dati e la parametrizzazione della modellazione di primo principio, rispettivamente. Inoltre, vogliono stabilire processi ottimizzati per la progettazione dei materiali. “Migliorando la capacità del gemello digitale di ottimizzare in condizioni di incertezza, possiamo garantire che sia in grado di sfruttare le conoscenze e di fornire soluzioni efficienti e affidabili per la progettazione di materiali di alta qualità”, hanno concluso i ricercatori.
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