Materialforscher Frank Mücklich: Neuer Umgang mit Wissenschaftsdaten wird die Entwicklung von Werkstoffen enorm beschleunigen

In der Materialforschung fallen riesige Datenmengen an: Werkstoffe werden chemisch analysiert, physikalischen Tests ausgesetzt oder mit bildgebenden Verfahren auf Mikro- und Nanoskalen erforscht. Mit Methoden der Datenwissenschaft und Künstlichen Intelligenz sollen diese Daten künftig so strukturiert und ausgewertet werden, dass sie gemeinsam genutzt und auch nach Jahren noch verwendet werden können. An einem bundesweiten Konsortium, das mit mehr als zehn Millionen Euro gefördert wird, sind Materialforscher der Universität des Saarlandes und Informatiker des DFKI beteiligt.

 

9. Juli 2021


Frank Mücklich sieht die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik derzeit in einem tiefgreifenden Wandel. Um zu veranschaulichen, worin dieser besteht, führt der Saarbrücker Materialforscher einen Vergleich zu Kriminalfällen an: „Durch DNA-Analysen kann man heute Mordfälle aufklären, die vor 30 Jahren noch unlösbar erschienen, weil man diese Technik noch nicht hatte. Heute analysieren wir Materialien und gewinnen umfangreiche Daten auf sehr aufwändige Weise, haben aber vielleicht in fünf oder zehn Jahren eine noch viel bessere Methode, um die gewonnenen Messdaten und Bilddateien vollständig auszuwerten“, erklärt Mücklich. Viele Experimente seien zudem sehr kostspielig und erzeugten gigantische Datenmengen, so dass nicht nur die Sicherung der Rohdaten eine immer wichtigere Rolle spielte, sondern auch die Frage, mit welchen Modellen diese weiterverarbeitet und analysiert werden.

 

Data Science erhält Schlüsselfunktion zwischen Experiment und Theorie der Materialforschung
 
„Wenn man zum Beispiel Spezialstähle herstellt, kann man an vielen Stellschrauben drehen. Man kann die Temperatur erhöhen, die chemische Zusammensetzung verändern oder eine andere Walztechnik anwenden. Jeder neue Prozess liefert andere Daten auch für die innere Struktur des Werkstoffs, die wir quantitativ bewerten müssen“, erläutert der Materialforscher. Hierbei komme immer mehr auch die Künstliche Intelligenz ins Spiel: „Wir benötigen die Methoden des maschinellen Lernens, um in großen Datenmengen verborgene Muster zu erkennen, die wir bestimmten Eigenschaftseffekten eines Werkstoffes zuordnen können. Wir brauchen aber auch intelligente Datenbankstrukturen, um die Forschungsdaten, die bundesweit in unterschiedlichen wissenschaftlichen Projekten anfallen, systematisch und auf lange Sicht auswerten zu können“, sagt Mücklich. Insgesamt erhält damit die rasant wachsende interdisziplinäre Datenwissenschaft (Data Science) eine Schlüsselfunktion zwischen Experiment und Theorie der Materialforschung.

 

Zusammenarbeit Universität und DFKI
 
Diesen Themen soll sich jetzt das bundesweite Konsortium zum Aufbau einer nationalen Forschungsinfrastruktur in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik widmen. Es wird als eines von zehn Konsortien von Bund und Ländern in den kommenden fünf Jahren mit mehr als zehn Millionen Euro gefördert. Die Saarbrücker Materialwissenschaftler Frank Mücklich, Stefan Diebels und Hans-Georg Herrmann werden sich in dem Verbundprojekt vor allem mit der Frage beschäftigen, wie die riesigen Datenmengen aus verschiedenen 3D-Analysetechniken modelliert und strukturiert werden können. Sie werden dafür mit Informatikern am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Saarbrücken zusammenarbeiten.

 

Internationale Studierenden und Doktoranden profitieren von hochmoderner Forschungsinfrastruktur
 
„Um das innere Gefüge eines Werkstoffes zu verstehen, nähern wir uns diesem mit 3D-Analysetechniken in verschiedenen Dimensionen an. Dazu zählen die Mikro-, Nano- und atomare Skala, die man sich wie ein komplexes hierarchisches Gebilde vorstellen kann. Wir können darüber die Eigenschaften eines Werkstoffs gezielt und exakt berechenbar verändern, so dass er etwa seine mechanischen, elektrischen oder optischen Eigenschaften maßgeschneidert verändert“, erklärt Mücklich. Auf dem Saarbrücker Campus seien alle wichtigen Großgeräte zur 3D-Analyse von Materialien auf diesen Skalen vorhanden, ebenso wie mehrere kompetente Forschungsteams an der Universität des Saarlandes, am Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren und am Leibniz-Institut für neue Materialien. Von dieser hochmodernen Forschungsinfrastruktur und den jeweiligen Forschungsteams profitieren auch die internationalen Studierenden und Doktoranden, die von der Europäischen Schule für Materialforschung auf dem Saarbrücker Campus betreut werden. „Sie sollen künftig in Workshops und Summer Schools die Methoden kennenlernen, die wir im Rahmen dieses bundesweiten Konsortiums erarbeiten werden. Als Absolventen werden sie diese Erkenntnisse und für ihre Karriere wichtige, neuartige Kompetenz weitertragen, sowohl in die Industrie als auch in internationale Forschungseinrichtungen“, ist Frank Mücklich überzeugt. Er geht davon aus, dass dadurch hierzulande neue Hochleistungswerkstoffe künftig noch schneller, sehr viel effizienter und mit einer noch höheren Präzision hergestellt werden können.
 

 
Fragen beantwortet:

 
Prof. Dr. Frank Mücklich
Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes
Steinbeis-Forschungszentrum Material Engineering Center Saarland (MECS)
Tel. 0681/302-70500
Mail: muecke@matsci.uni-sb.de