A szonokémia kutatási terület a tanszéken több évtizedes hagyományokkal rendelkező kavitációtan témából eredeztethető. A kavitáció egy speciális esete amikor kavitációs buborékokat nagy intenzitású és frekvenciájú (20 kHz – 1 MHz) ultrahangos besugárzással hozunk létre. Ezt hívjuk akusztikus kavitációnak. A buborékok radiális pulzálása során a belső hőmérséklet elérheti a több ezer kelvint is, ami kémiai reakciókat indukál. A jelenségnek számos kémiai alkalmazása van: szennyvíztisztításban toxikus anyagok degradálása, nano-fémrészecskék gyártása vagy különböző szerves és szervetlen kémiai anyagok szintetizálása. A kutatócsoport célja a szonokémiai reaktorok energiahatékonyságának javítása.
A reaktorok optimalizálásának egyik kulcsa a numerikus szimulációk készítése, ezen belül is a grafikuskártyák (GPU) programozása. A modern számítógép klaszterek és szuperszámítógépek teljesítményének legnagyobb hányadát ma már a GPU-k adják (Frontier: 98%, Komondor: 80%). Kutatócsoportunk célja nem csak szonokémiára specializált kódok írása, hanem általános célú közönséges és parciális differenciálegyenlet-megoldók fejlesztése is.
Kutatási területeink
Szonokémiai alkalmazások energiahatékonyságának javítása
Optimális üzemeltetési stratégiák
A szonokémiai reaktorok egyik legnagyobb kihívása az energiahatékonyság javítása, hogy gazdaságosan alkalmazhatóak legyenek az iparban. Célunk olyan üzemeltetési stratégiák kidolgozása, amely jelentősen képes a kémiai kihozatalt javítani minimális energiabefektetés mellett. Ehhez nagyméretű numerikus optimalizációs módszereket használunk a GPU-k nagy számítási teljesítményét kihasználva. Ennek segítségével részletes kémiai szimulációkat készítünk a buborékok kémiai aktivitásáról.
Ultrahang disszipációja
Buborékklaszter és akusztikus hullám kölcsönhatása
Szonokémiai reaktorokban fontos a homogén kémiai aktivitás. Buborékklaszteren áthaladva, az ultrahang szóródik, és a besugárzás intenzitása is csökkenhet a buborékok okozta disszipáció következtében. Optimális üzemeltetési stratégiák kidolgozása mellett további célunk, hogy optimális buborékeloszlásokat határozzunk meg: az optimális buboréksugarakat és -pozíciókat. Ennek érdekében numerikus szimulációkat végzünk az ALPACA többfázisú áramlások szimulációjára alkalmas program csomaggal. Az eredmények a buborékok és az akusztikus tér kölcsönhatására adnak részletes betekintést.
Buborékklaszter-kontroll
Reaktorok szabályozása megerősítéses tanulással
Az optimális buborék struktúra meghatározása után a buborékokat a megfelelő helyre kell pozícionálni. Ez messze túlmutat az emberi intuíció keretein. Ezért, a problémát megerősítéses tanulással kezeljük. A pozíciókat az akusztikus tér manipulációjával szabályozzuk. Az akusztikus teret pedig az ultrahangos besugárzás intenzitásnak állításával. Az intenzitásokat bizonyos időközönként állítja egy neurális háló az aktuális buborék pozíciók és a cél pozíciók függvényében.
Lézer keltette buborékok
Buborékdinamika a lézeres műtétekben
A szonokémiai szimulációk során kapott buborék dinamikai tapasztalatokat más területeken is fel tudjuk használni. Egyik aktív témánk a lézer keltette buborékok dinamikai viselkedése. A téma jelentőségét lézeres műtétek adják, ahol a fókuszált lézersugár mikrométer méretű buborékokat generál. A fő kérdés a lézer és a buborékdinamika által keltett lökéshullámok megismerése. Ezek ugyanis a környező szöveteket roncsolhatják. A szimulációkhoz az ALPACA programcsomagot használjuk.
Az MPGOS programcsomag
Általános célú GPU-ODE megoldó
A szonokémiai kutatás során megszerzett GPU programozási tapasztalatokat egy általános célú közönséges differenciálegyenlet-megoldóban is felhasználtuk. A programcsomag neve MPGOS (Massively Parallel GPU ODE Solver). A csomag és részletes teljesítmény profilozás elérhető a www.gpuode.com weboldalon. Jövőbeni cél a csomag folyamatos bővítése és felhasználói felület írása MATLAB-ban való kezeléshez. Távlati cél, hogy a csomag bekerüljön a Parallel Toolbox rendszerbe.
