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Dienstag, 12. Dezember 2017

Ausstellung

Du simulierst doch nur

Von Jutta Witte | 25. Mai 2017 | Ausgabe 21

Die Schau „Im digitalen Labor“ in Stuttgart ermöglicht Laien den Zugang zu dem sperrigen wissenschaftlichen Feld der Simulationen.

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Foto: Uni Stuttgart, SimTech, SFB 716/Max Kovalenko

Die Station zum Thema mathematische Modellierung versucht im wahrsten Sinne des Wortes, Teile der Realität mathematisch begreifbar zu machen.

Aus Wissenschaft und Technik sind Simulationen nicht mehr wegzudenken. Sie öffnen ein Fenster in Bereiche, die bislang kaum zu erforschen waren, und helfen Zukunftsszenarien zu entwickeln. Im Stuttgarter Planetarium erklärt die Ausstellung „Im digitalen Labor“ die komplexe Welt der Simulationen und macht das abstrakte Thema für Wissenschaftsinteressierte anschaulich. „Neben Theorie und Experimenten ist Simulation die dritte Säule der Erkenntnis“, sagt Thomas Ertl, Sprecher des Stuttgarter Exzellenzclusters „Simulation Technology“ (SimTec).

Was, wann, wo

Ob in der Materialwissenschaft, Medizin oder Biophysik, ob im Maschinenbau oder den Agrarwissenschaften: Am Computer visualisierbare Modelle der Wirklichkeit kommen immer dann zum Einsatz, wenn Experimente im Labor zu teuer, zu gefährlich, zu ungenau oder ethisch nicht vertretbar sind oder schlicht zu lange dauern.

Foto: Uni Stuttgart, SimTech, SFP 716/Max Kovalenko

Ein Blick auf diverse Stationen der Ausstellung. Sie informiert über die Historie der Simultantechnologie und eröffnet auch Laien Einblicke in wissenschaftliche Prozesse.

Die Potenziale dieser Entwicklung zeigen in der Ausstellung „Im digitalen Labor“ viele Beispiele. Eines davon ist der britische Metereloge Lewis Fry Richardson. Als er 1922 die erste „Wettervorhersagefabrik“ erschaffen wollte, plante er hierfür 64 000 Mathematiker ein – ungefähr so viele Menschen, wie in ein Fußballstadion passen. Das Ganze scheiterte, weil sich sein numerisches Modell als zu kompliziert erwies. Heute ermöglichen Simulationstechnologien, die für einen Wetterbericht nötigen Unmengen an Satellitendaten nicht nur zu speichern und zu analysieren, sondern die tagtäglichen Prognosen auch mit Symbolen und Farben – sogenannten visuellen Metaphern – für jedermann anschaulich zu machen.

Die Ausstellung zeigt nicht nur die Geschichte der Simulation, die 1945 mit dem Einsatz des elektronischen Universalrechners zu Forschungen an der Wasserstoffbombe ihre Geburtsstunde hatte und von da an kontinuierlich zu einem Standardwerkzeug weiter entwickelt wurde. Sie erklärt auch ihre Methoden, Funktionsweisen und technischen Herausforderungen, gibt Einblick in die Vielzahl von Anwendungsgebieten und identifiziert die Grenzen, auf die die virtuelle Forschung auch heute noch stößt.

Foto: Uni Stuttgart, SimTech, Visus

Hier werden Wasserströmungen simuliert. Das ist wichtig beim Brückenbau.

Eine Schau „aus der Wissenschaft, nicht über die Wissenschaft“ will das Team von SimTec und dem Sonderforschungsbereich „Dynamische Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen“ (SFB 716) zeigen. Die Ausstellung ist in Modulen aufgebaut, die einen Zugang zum abstrakten Thema aus ganz unterschiedlichen Richtungen ermöglichen. Wer die sechs Stationen, die jede Simulation durchläuft, kennenlernen möchte, kann dies anhand des menschlichen Gangs tun. Am Anfang steht die Modellierung. Sie definiert, welche Parameter überhaupt in die Simulation einfließen sollen. Die Numerik übersetzt diese Werte in Formeln und Algorithmen, die Softwareentwicklung sorgt für die Implementierung, die Visualisierung schließlich macht aus Zahlen Bilder und ist die Voraussetzung dafür, dass Wissenschaftler die Daten analysieren und in ihre Forschungen zum menschlichen Körper integrieren können. Verändert man als Besucher die Parameter, ändert sich der Gang.

Visualisierung in 3-D und Echtzeit ist für Thomas Ertl die „Pipeline“ um numerische Daten Schritt für Schritt nutzbar zu machen. Wie dies in der Praxis aussehen kann, zeigt in der Ausstellung eine interaktive Station mit Anwendungsbeispielen aus der Materialwissenschaft und Biochemie. Der Besucher kann die Prozesse auf den Bildschirmen wie bei einem Computerspiel mit seinen Gesten steuern – z. B. die Simulation einer sogenannten Laserablation. Wenn ein Laserstrahl auf eine Oberfläche trifft, löst sich Material und verteilt sich in der Umgebung. Ein drehbarer Würfel mit einer Aluminiumoberfläche symbolisiert das Material. Die sich lösenden Partikel werden als winzige Kugeln sichtbar, ihre Flugbahn als bunte Linien. Zu wissen, wohin diese Partikel wie schnell fliegen, ist nicht marginal, will man Schäden im Umfeld vermeiden.

Foto: Universität Stuttgart, SimTech/SFB 716/Max Kovalenko

Im Vorprogramm mancher Vorstellungen wird ein Film zum Thema Computersimulationen auf die Kuppel des Planetariums projiziert.

Auf dem zweiten Bildschirm ist in Großaufnahme zu sehen, wie sich einzelne rote Moleküle aus einer Fettschicht lösen, weil das Enzym Lipase sie verdaut. Eine Methode, um Prozesse zu modellieren, ist die Zerlegung in Teilchen – Atome, Moleküle, Sandkörner, Kristalle oder auch Planeten. Wissenschaftler untersuchen dann zum einen die physikalischen Kräfte, die zwischen ihnen wirken, und zum anderen die Umgebungseinflüsse. Auf dieser Basis können sie das Verhalten jedes Teilchens berechnen. Will man ein Tröpfchen Druckertinte simulieren, mit dem man ein Komma in Schriftgröße zehn drucken kann, müssen 220 Billiarden Wassermoleküle berücksichtigt werden, ist in der Ausstellung zu lesen. Dies entspricht einer 220 mit 15 Nullen. Man sieht sehr schnell: Die Datenmengen sind enorm, die Rechnerkapazitäten aber nach wie vor begrenzt. Zeit und Kosten setzen den digitalen Experimenten weitere Grenzen. Simulationsexperten stehen damit vor zwei Herausforderungen. Sie müssen sehr präzise definieren, was sie überhaupt wissen möchten, und sie müssen ihre Computermodelle so vereinfachen, dass sie berechenbar bleiben und dennoch sinnvolle Ergebnisse liefern.

Die Ausstellung „Im digitalen Labor: Durch Computersimulation die Welt verstehen“ wurde von den Forschungsverbünden SimTec und SFB 716 der Universität Stuttgart entwickelt. Beide Verbünde werden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Wegen laufender Bauarbeiten sollte man sich über aktuelle Zufahrtswege auf der Website des Planetariums informieren.  

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