Ein Rucksack für Fledermäuse

Die Datenanalytik hilft uns, natürliche und technische Prozesse besser zu verstehen. Voraussetzung dafür sind leistungsfähige Sensoren, die zuverlässige Informationen liefern. Und mathematische Modelle, die diese Informationen ebenso zuverlässig auswerten.

Was haben die Menschen eigentlich gemacht, als es noch keine Computersimulation gab? Klar, sie haben experimentiert, Prototypen gebaut, sind gescheitert und waren irgendwann erfolgreich. Trial and Error. Heute ist es kaum vorstellbar, dass Wolkenkratzer, Flugzeuge, Turbinen, Chemieanlagen und selbst Fahrräder ohne die Hilfe von Computerprogrammen und mathematischen Modellen konstruiert werden. Modellierung und Simulation sind heute so weit fortgeschritten, dass selbst hochkomplexe Systeme beschrieben und optimiert werden können. Keine grüne Welle im Stadtverkehr, keine Stromversorgung in einem Netz von Tausenden Kilometern, kein Versand von Briefen und Paketen ohne Verarbeitung und Simulation numerischer Daten. Aber auch die Erfassung von Informationen durch elektronische Sensoren, die Miniaturisierung von Schaltungen und Prozessoren und die Übertragung von Signalen haben in den letzten Jahren unglaubliche Fortschritte gemacht.

Zoologen unterwegs in der Nacht

Miniaturisierte elektronische Bauteile können uns zum Beispiel dabei helfen, Verhaltensweisen von Tieren besser zu verstehen. Etwa wie sich Fledermäuse bewegen, wann sie aktiv sind, wo sie bevorzugt jagen und welche sozialen Kontakte sie pflegen. Bislang sind Zoologen auf Peilsender angewiesen, denen sie in der Nacht zu Fuß hinterherjagen. Das ist zum einen anstrengend, zum anderen lassen sich die Koordinaten der fliegenden Säuger nur ungenau erfassen. Vor fünf Jahren hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Forschergruppe 1508 BATS ins Leben gerufen, die an der FAU koordiniert wird. Ziel des Verbundvorhabens, an dem Biologen, Ingenieure und Informatiker aus ganz Deutschland beteiligt sind, ist die automatische, sensorgestützte Beobachtung des Großen Mausohrs, der größten unserer heimischen Fledermausarten. Zu diesem Zweck sind im Forchheimer Stadtwald und in Berlin jeweils 20 Tiere mit sogenannten Sensorknoten bestückt worden. Die Geräte sind in der Lage, sowohl Signale an Bodendetektoren zu senden, die den Standort der Fledermäuse präzise bestimmen, als auch Begegnungen mit weiteren Knoten aufzuzeichnen. Aus den Daten errechnen die Biologen ein dreidimensionales Bild von den Bewegungsmustern der Tiere und die Intensität von Kontakten mit Artgenossen. Inzwischen untersuchen die Wissenschaftler auch Fledermauspopulationen in Panama.

Sender passt auf einen Fingernagel

Eine der größten Herausforderungen des BATS-Projektes, das sich seit 2016 in der zweiten Förderphase befindet, ist der Sender, der auf dem Rücken der Tiere befestigt wird: „Das Gerät darf maximal zwei Gramm schwer sein, damit das Große Mausohr beim Fliegen nicht beeinträchtigt wird“, sagt Robert Weigel, Professor für Technische Elektronik an der FAU. Inzwischen sind die FAU-Ingenieure bei einem Sendergewicht von nur einem Gramm angelangt. Die besondere Leistung dabei: In den kaum fingernagelgroßen „Rucksack“ sind nicht nur Antenne und Batterie integriert, sondern auch ein Mikroprozessor, mit dem kleinere Rechenleistungen ausgeführt und geringe Datenmengen gespeichert werden können. „Für das reine Tracking, also die Verfolgung der Bewegungen der Tiere, wäre das nicht nötig. Aber die Sensoren sollen ja auch die Signale anderer Fledermäuse aufzeichnen“, erklärt Weigel. Vier Wochen lang tragen die Fledermäuse den Sender mit sich, bevor er automatisch abfällt. Das bedeutet zum einen, dass die Bauteile besonders robust sein und beispielsweise auch im Starkregen des zentralamerikanischen Dschungels funktionieren müssen. Zum anderen muss auch die Batterie so lange halten – ein Spagat zwischen möglichst geringem Gewicht und hoher Leistungsfähigkeit. „Um die Lebensdauer der Batterien zu verlängern, haben wir ein spezielles Energiemanagement des Senders entwickelt“, erklärt der Wissenschaftler. „Zum einen haben wir die Energieaufnahme der elektronischen Schaltungen im Gerät minimiert, zum anderen für eine energiearme Übertragung der Signale gesorgt. Dafür haben wir mit verschiedenen Oszillatoren und Frequenzen experimentiert. Und drittens sendet das Gerät seine Ortungssignale nur dann, wenn es sich im Erfassungsbereich der Bodenstation befindet.“ Aktuell arbeiten die FAU-Forscher daran, die Lebensdauer des Senders zu erhöhen und die Sensorik noch leistungsfähiger zu machen, um etwa das Tracking zu verbessern und künftig mehr Informationen über das Tier selbst zu gewinnen. Eine weitere Miniaturisierung der Sensoren könnte dazu führen, künftig noch kleinere Lebewesen, etwa Bienen, mit mobilen Sendern auszustatten und ihr Sammelverhalten sowie ihren Lebenszyklus genauer zu erforschen.

Wie fließt Erdgas durch die Pipeline?

Mit der Verarbeitung gigantischer Datenmengen beschäftigt sich auch Prof. Dr. Alexander Martin. Der Professor für Wirtschaftsmathematik versucht, Prozesse aus der Praxis in theoretische Modelle zu übertragen, die Realität sozusagen im Computer abzubilden. Auf dieser Basis können Simulationen vorgenommen und Abläufe optimiert werden. „Nehmen Sie zum Beispiel die Geldautomaten in den Bankfilialen, die rund um die Uhr zugänglich sind“, erklärt er. „Ziel der Bank ist es, immer ausreichend Bargeld vorrätig zu halten, ohne riesige Summen in den Automaten zu lagern. Dafür müssen sie viele Parameter berücksichtigen – die Sozialstruktur im Einzugsgebiet, den Wochentag, die Auszahlungsspitzen im Monatsverlauf. Und selbst bei Berücksichtigung aller Faktoren kann es vorkommen, dass ein Automat leer ist, wenn nicht die richtigen Methoden angewandt werden.“ Dabei ist das Beispiel Geldautomat vergleichsweise harmlos. Im DFG- Sonderforschungsbereich TRR 154, für den gerade die zweite Förderphase beantragt wird, forscht Martin an einem deutlich komplexeren Problem: dem zuverlässigen Transport von Erdgas durch das Infrastruktursystem aus Rohren, Ventilen und Pumpen. „Vor über zwanzig Jahren hat man in Deutschland damit begonnen, das Gasnetz zu digitalisieren“, sagt Martin. „Erst seit dieser Zeit stehen Daten zur Verfügung, die wir für die Entwicklung von Optimierungsmodellen nutzen können.“ Das Besondere an Gas: Anders als beispielsweise Strom fließt es recht langsam durch die Leitung – etwa so schnell, wie ein Fahrrad fährt. Das ist eine Herausforderung für die Verteilung von Kapazitäten, die auf einigermaßen gesicherte Bedarfsvorhersagen ebenso angewiesen ist wie auf die zuverlässige Berechnung des Gasflusses.

Mehr Schaltzustände als Atome im Universum

Was aber gilt es zu berücksichtigen, um die Bewegung des Gases durch das Netz berechnen zu können? Hier kommen, so Martin, viele Disziplinen zusammen: „Die Strömungsphysik spielt natürlich eine entscheidende Rolle, aber auch Fragen der Schaltzustände von Verdichtern. Ingenieure und Verfahrenstechniker sind gefragt, denn wir müssen nicht nur Kenntnis über den Idealzustand von Rohren, Ventilen und Verdichtern haben, sondern auch die Frage beantworten, ob die Pipelines, die zum Teil Jahrzehnte alt sind, Ablagerungen oder Deformationen aufweisen, die den Gasfluss beeinflussen. Und schließlich brauchen wir Mathematiker, die all diese Parameter in theoretische Modelle übertragen.“ Um welche Datenmengen es dabei letztlich geht, erklärt  Alexander Martin an einem Beispiel: „Gehen wir von einem Netzwerk mit 300 Ventilen und 30 Verdichterstationen aus. Die Ventile können entweder geöffnet oder geschlossen sein, die Verdichter angeschaltet oder nicht. Aus dieser Konstellation ergeben sich mehr als zwei hoch 330 verschiedene Zustände des Netzes. So viele Atome gibt es im ganzen Universum nicht.“ Anhand dieser Zahl wird klar, dass selbst das leistungsfähigste mathematische Modell nicht jeden möglichen Zustand darstellen kann. Vielmehr geht es darum, die Strukturen möglicher Lösungen zu verstehen und zu beschreiben. Mathematiker sprechen von Lösungsräumen, für die eine Hierarchie analytischer und stochastischer Modelle erstellt wird, die in sich konsistent ist. Klingt kompliziert? Ist es auch. Aber Erdgas wird auf absehbare Zeit ein wichtiger Energieträger bleiben. Seinen Transport weiter zu optimieren, ist für eine effiziente Energieversorgung unerlässlich.

Forschungsschwerpunkt Elektronik, Datenanalytik und Digitale Transformation

Die digitale Transformation hat längst alle Bereiche der Gesellschaft erfasst. An der FAU werden die natur- und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen – elektronische Bauelemente, Sensoren, Schaltungstechnik, Signalverarbeitung und -übertragung – ebenso erforscht und entwickelt wie praxisnahe Anwendungen, etwa neue Arten der Kommunikation durch Audio- und Video-Codierung, die Analyse großer Datenmengen und die Beschreibung komplexer Systeme. Gleichermaßen finden sich die numerische Modellierung und Simulation in nahezu allen Disziplinen der Universität: Prozesssimulationen in den Ingenieurwissenschaften, simulationsgestützte Diagnostik in der Medizin, Elektronenstrukturberechnungen in den Naturwissenschaften, die Optimierung logistischer Prozesse und Marktdesigns in den Wirtschaftswissenschaften. Auch die sozial- und kulturwissenschaftliche Komponente der digitalen Transformation wird untersucht, etwa der Einfluss sozialer Medien auf gesellschaftliche Akteure und veränderte Gesellschafts-Raum-Strukturen.

Überblick: alle Forschungsschwerpunkte der FAU

Der friedrich – das Forschungsmagazin der FAU

Dieser Text erschien zuerst in unserem Forschungsmagazin friedrich. Die aktuelle Ausgabe wirft einen Blick zurück in die 275-jährige Geschichte der Universität. Darüber hinaus beschäftigen es sich mit Fragen, die die Wissenschaft hier und heute bewegen: Was macht gute Wissenschaft aus? Muss Wissenschaft nützen? Wann ist Scheitern erfolgreich? Die Jubiläumsausgabe wagt aber auch einen Blick in die Zukunft. Denn obwohl wir heutzutage so viel mehr wissen als noch vor 200 Jahren, existieren immer noch jede Menge offener Fragen, auf die es Antworten zu finden gilt.

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