Pesquisadores da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, na Alemanha, criaram um gêmeo digital para materiais fotovoltaicos, em um esforço para acelerar a inovação na indústria de fabricação de energia fotovoltaica.
Os gêmeos digitais são usados na ciência da engenharia para definir contrapartes digitais de ativos físicos existentes. Eles são conceitualmente diferentes das simulações em múltiplas escalas e são comumente usados para avaliar o estado atual e futuro dos ativos físicos por meio de sensores e modelos físicos em tempo real.
“Tentamos conectar experimentação e teoria de alto nível”, disse o autor correspondente da pesquisa, Ian Marius Peters, à pv magazine. “O gêmeo digital específico que imaginamos vai além de uma mera representação da infraestrutura experimental que temos, ele se torna parte dela. O desafio que queremos enfrentar é conceber materiais inteiramente novos para aplicações fotovoltaicas, desde o design molecular até à célula solar integrada. Para conseguir isso, devemos ser capazes de classificar rapidamente muitas moléculas, condições de processamento, pilhas de camadas e condições operacionais diferentes.”
De acordo com Peters, a chave é combinar experimentação de alto rendimento (HT) e modelagem teórica. “Matematicamente, isso se torna uma otimização de vários processos conectados com diferentes escalas de tempo e duração”, continuou ele. “O gêmeo digital agora é uma combinação de vários modelos e rotinas de otimização, como otimização bayesiana e regressão de processo gaussiana. Eles são alimentados com dados experimentais nas diferentes fases para permitir esta otimização.”
Esta ferramenta está sendo concebida para permitir aos pesquisadores e fabricantes um fluxo de informações em todas as etapas. “Por exemplo, se quisermos ter um material que seja intrinsecamente reciclável com um determinado processo, alimentamos esta informação no gêmeo digital, o que nos permite iniciar o processo de desenho das moléculas com as condições de contorno dadas pela necessidade de facilitar essa reciclagem”, acrescentou Peters.
No estudo “A digital twin to overcome long-time challenges in photovoltaics”, publicado na revista Joule, Peters e seus colegas explicaram que as inovações são frequentemente encontradas na pesquisa fotovoltaica por meio de “serendipidade” e disseram que descobertas disruptivas serão menos frequentes no futuro. Espera-se que o gêmeo digital proposto ajude a aumentar o número de descobertas, reduzindo a lacuna entre os cálculos de primeiros princípios e as experiências, uma vez que permite uma tomada de decisão “informada” sem informação direta sobre um determinado ativo.
As características mais importantes do gêmeo digital proposto são rejeição de redundância, quantificação de incertezas e previsão em tempo real. Baseia-se nas plataformas de aceleração de materiais (MAPs), que dividem o espaço experimental em moléculas, filmes e dispositivos.
“O gêmeo digital visa atingir capacidade de design molecular e de processo inverso para descobrir princípios de design e novos materiais com propriedades invisíveis, atendendo a requisitos atualmente contraditórios”, explicou o grupo de pesquisa. A tecnologia também permitirá explorar experimentos usando substitutos em cascata para prever propriedades em escalas e extrair soluções otimizadas.
Olhando para o futuro, os cientistas disseram que a fusão entre laboratórios e escalas será crucial para melhorar a validação de dados e a parametrização da modelagem de primeiro princípio, respectivamente. Além disso, eles desejam estabelecer processos otimizados para projetos de materiais. “Ao melhorar a capacidade do gêmeo digital de otimizar sob condições incertas, podemos garantir que ele seja capaz de aproveitar o conhecimento e, ao mesmo tempo, fornecer soluções eficientes e confiáveis para projetar materiais de alta qualidade”, concluíram.
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