Zukunftsfeld Mathematik

Materialwissenschaftler*innen beschäftigen sich mit den Zusammenhängen zwischen Herstellung, Struktur und Eigenschaften von Materialien, oft mit dem Ziel Werkstoffe mit neuen oder verbesserten Eigenschaften zu (er)finden. Am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) gibt es seit 2016 eine Arbeitsgruppe, die untersucht, wie sich die Herstellung in Schwerelosigkeit auf Materialeigenschaften auswirken kann. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Steigerung der Energieeffizienz der Materialien. Mathematische Modelle, welche die Eigenschaften in Abhängigkeit von der Struktur vorhersagen, können hierbei richtungsweisend sein und die Anzahl der nötigen Experimente stark verringern.

Die Technologie der bildgebenden Massenspektrometrie ermöglicht die örtliche Lokalisierung und Quantifizierung von Molekülen, wie beispielsweise Proteinen, Peptiden oder Wirkstoffen. Anwendungen findet die bildgebende Massenspektrometrie beispielsweise in der Pharmakologie zur Entwicklung neuer Medikamente und Wirkstoffe, in der medizinischen Forschung zur Erforschung neuer Therapien, in der Pathologie zur Detektion neuer krankheits-charakterisierender Biomarker und in den Materialwissenschaften zur Optimierung neuer Werkstoffe. Die riesigen Datenmengen der bildgebende Massenspektrometrie zu visualisieren, zu analysieren und zu interpretieren ist eine Herausforderung, die man mit Hilfe mathematischer Verfahren bewältigen kann.

Wir alle möchten gerne wissen, wie das Wetter wird, ob wir heute Abend grillen können oder nicht, ob nächstes Wochenende Freibad oder Spielenachmittag angesagt ist, usw. Und auch für das Klima würden wir gerne genauer wissen, wie es weitergeht, was macht der Klimawandel genau und was hat er für Auswirkungen? Für all diese Vorhersagen brauchen wir mathematische Modelle, mit deren Hilfe wir berechnen, wie sich das Wetter oder das Klima in der Zukunft entwickeln wird. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Wolken, die nicht nur oft wunderschön am Himmel aussehen, sondern auch einen großen Einfluss haben und furchtbar kompliziert sind. Sie setzen sich aus winzigen Tröpfchen zusammen, können sich zu riesigen Gebilden aufbauen und werden von großen Strömungen beeinflusst. Viele Prozesse müssen wir auch noch besser verstehen, um sie anschließend in unseren Modellen besser abbilden zu können. Dafür beobachten und simulieren wir Wolken weltweit - zum Beispiel auch in der Arktis, die im Augenblick besonders sensibel auf den Klimawandel reagiert und sich stärker erwärmt als der Rest der Welt.