Data Science
Mit Big Data die Wissenschaft revolutionieren
Die Promovierenden der Graduiertenschule DASHH nutzen für ihre Forschung komplexe datenwissenschaftliche Methoden, etwa um Computersimulationen noch präziser zu machen (Bild: Michael Schmitz für Helmholtz/HIDA).
Um riesige Datenmengen auszuwerten, braucht es intelligente Algorithmen – und interdisziplinäre Fachleute. Die Graduiertenschule DASHH in Hamburg bildet den Nachwuchs aus. Damit legt Helmholtz den Grundstein, um mit Data Science Antworten auf die großen Fragen unserer Zeit zu finden, etwa den Klimawandel.
Das Material besitzt winzige Poren, eine Art Schweizer Käse im Nanometer-Maßstab. Gebilde wie dieses üben eine Faszination auf Lars Dammann aus. Deshalb hat sie der junge Physiker, der an der Graduiertenschule „Data Science in Hamburg – Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter“ (DASHH) promoviert, zum Thema seiner Doktorarbeit gemacht. Denn die Nano-Schwämme haben erstaunliche Eigenschaften: So kann Wasser deutlich schneller durch sie hindurchfließen als durch Membranen mit größeren Poren, was einen wesentlich größeren Durchsatz erlauben sollte als mit heutigen Filtersystemen. „Das verspricht neue Möglichkeiten zur sauberen Energieerzeugung und -speicherung und würde helfen, die Klimakrise abzuschwächen“, sagt der Doktorand. „Außerdem könnten nanoporöse Materialien als Filter zur Abwasserreinigung und Meerwasserentsalzung dienen und das immer drängendere Problem der Wasserknappheit entschärfen.“
Der Physiker Lars Dammann ist einer der Promovierenden an der DASHH in Hamburg (Bild: Lars Dammann).
Um die Erforschung der nanoporösen Stoffe voranzutreiben, muss der Doktorand mit beträchtlichen Datenmengen hantieren. Zum einen wertet Dammann die Daten von hochauflösenden Röntgenexperimenten aus, wie sie an der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg stattfinden. Zum anderen versucht er, das mikroskopische Geschehen mit aufwändigen Computersimulationen nachzubilden. Für seine Forschung nutzt er Methoden der künstlichen Intelligenz. „In meiner Doktorarbeit möchte ich beides kombinieren, um sowohl die Datenanalysen als auch die Rechnersimulationen schlagkräftiger zu machen“, erzählt der Physiker. „Dazu aber braucht es neue Computerverfahren, zum Beispiel selbstlernende Algorithmen.“
Die stetig wachsende Datenflut bewältigen
Den optimalen Rahmen für sein Projekt bietet die Graduiertenschule DASHH, an der Dammann promoviert. Sie ist eine von sechs Information & Data Science Schools in Deutschland, die die Helmholtz-Gemeinschaft in den letzten Jahren unter dem Dach von HIDA – der Helmholtz Information & Data Science Academy – ins Leben gerufen hat. Es ist Deutschlands größtes postgraduales Ausbildungsnetzwerk in den Informations- und Datenwissenschaften. Bis 2025 sollen an den Helmholtz Schools 280 Nachwuchskräfte an der Schnittstelle zwischen Information & Data Science und Naturwissenschaften ausgebildet werden.
Rolf Greve leitet das Amt für Wissenschaft und Forschung in der Hamburger Wissenschaftsbehörde (Bild: Behörde für Wissenschaft, Forschung, Gleichstellung und Bezirke).
Datenwissenschaften sind in der Forschung extrem wichtig geworden. Kleinste Sensoren, aber auch wissenschaftliche Großgeräte wie der Teilchenbeschleuniger LHC in Genf oder der Europäische Röntgenlaser XFEL in Hamburg liefern immer mehr und immer detaillierte Messdaten. Die Folge ist eine stetig wachsende Datenflut, die verarbeitet und analysiert werden muss. „Mit den herkömmlichen Verfahren wird es immer schwieriger, diese riesigen Datenmengen auszuwerten“, erklärt Rolf Greve, Leiter des Amts für Wissenschaft und Forschung in der Hamburger Wissenschaftsbehörde. „Dazu braucht es neue, innovative Methoden der Data Science, zum Beispiel künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen.“ Solche Programme sind unter anderem in der Lage, die Daten schon während eines Experiments auszuwerten oder in einem Datensatz nach verborgenen Mustern zu suchen.
Die „Data Science in Hamburg – Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter“ (DASHH) ist ein Gemeinschaftsprojekt von neun Partnern (Abbildung: DASHH).
Interdisziplinäre Ausbildung und Netzwerkbildung
Die Herausforderung: Für die Entwicklung dieser Software sind Fachkräfte gefragt, die sich sowohl mit physikalischen Messmethoden als auch den neusten Werkzeugen der Informatik und der angewandten Mathematik auskennen. Genau solche Expertinnen und Experten bildet DASHH aus. Das interdisziplinäre Programm umspannt die Themenfelder Strukturbiologie, Materialwissenschaften, Teilchenphysik sowie Forschung mit Röntgenstrahlungsquellen. „Diese unterschiedlichen Bereiche nutzen zum Teil dieselben Methoden“, erläutert DASHH-Sprecherin Nina Rohringer, leitende Wissenschaftlerin bei DESY. „So können Software-Verfahren, die sich in der Teilchenforschung bewährt haben, auch für die Strukturbiologie oder die Astrophysik hilfreich sein.“
Eine weitere Besonderheit der sechs Data Science Schools ist das Netzwerk, das sie zwischen verschiedenen Forschungsinstitutionen aufspannen. Die DASHH etwa ist ein Gemeinschaftsprojekt von neun Partnern, darunter das Helmholtz-Zentrum DESY, die Universität Hamburg, die Technische Universität Hamburg und das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI). Alle DASHH-Promovierenden werden von je zwei Fachleuten betreut – einer Person aus dem Bereich Informatik oder Mathematik, einer aus dem naturwissenschaftlichen Anwendungsfeld. Zudem bieten ihnen DASHH und HIDA zahlreiche Events, Kurse und Austauschprogramme an.
„Programme wie DASHH schlagen Brücken zwischen unterschiedlichen Fächern und Institutionen, und das sorgt für einen besseren Erkenntnistransfer und für mehr wissenschaftlichen Fortschritt“, betont Rolf Greve. „Im Blick auf die Nachwuchsausbildung bildet DASHH eine wichtige Plattform, die insbesondere die interdisziplinär arbeitenden Forschungszentren unterstützt.“ Das hat auch die Jury des Norddeutschen Wissenschaftspreises erkannt und das DASHH-Programm im November 2020 mit der Auszeichnung geehrt. Der Preis würdigt länderübergreifende Kooperationen in der Wissenschaft, die sich durch wissenschaftliche Exzellenz auszeichnen und durch ihren Erfolg einen Beitrag zur Stärkung und Wettbewerbsfähigkeit norddeutscher wissenschaftlicher Netzwerke leisten.
Mit KI Antworten auf große gesellschaftliche Fragen finden
„Dieser Preis fördert interdisziplinäre Kooperationen und macht sie für die Öffentlichkeit sichtbar“, betont Rolf Greve. „Und DASHH ist ein besonders gutes Beispiel für die Zusammenarbeit verschiedener Institutionen und Fachdisziplinen.“ Seine Hoffnung: Eines Tages werden die Absolventinnen und Absolventen des Programms helfen, Antworten auf einige der drängendsten Fragen der Gesellschaft zu finden: Wie funktionieren Viren, wie infizieren sie den menschlichen Körper? Und wie lassen sich Materialien für leichtere Autos und effizientere Batterien finden? „Solche Herausforderungen lassen sich künftig nur mit leistungsfähigen digitalen Werkzeugen und einer engen Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen meistern“, sagt Greve. „Und DASHH bildet jene Data-Science-Fachleute aus, die diese Probleme in Wissenschaft und Wirtschaft erfolgreich in Angriff nehmen.“
Nina Rohringer ist Sprecherin der DASHH, leitende Wissenschaftlerin bei DESY und Professorin für Physik an der Universität Hamburg (Bild: DESY/Gesine Born).
Und was geschieht mit dem Preisgeld des Norddeutschen Wissenschaftspreises, immerhin 125.000 Euro? „Damit wollen wir am CDCS, dem neuen Center for Data and Computing in Natural Sciences, Arbeitsplätze für die DASHH-Studierenden einrichten. Das haben sie sich ausdrücklich gewünscht“, erzählt Nina Rohringer. Somit wird Lars Dammann künftig die Möglichkeit haben, vor Ort auf dem DESY-Campus mit anderen DASHH-Promovierenden unter Einsatz modernster Technologien gemeinsam zu forschen und dadurch der Vision hinter seinem Projekt näherzukommen: „Der Traum wäre, Computersimulation und Experiment so eng zu koppeln, dass ich die Messdaten schon während des Versuchs per Simulation visualisieren kann.“ Und das könnte helfen, jene Nanoporen mit den rätselhaften Eigenschaften besser zu verstehen, die eines Tages als Grundlage für effizientere Wasserfilter und innovative Möglichkeiten der Energiegewinnung dienen könnten. So schafft Data Science die Voraussetzungen, um Probleme wie Wasserknappheit und den Klimawandel aktiv zu bewältigen.
Interview mit Rolf Greve
Im Gespräch betont der Leiter des Amts für Wissenschaft und Forschung in der Hamburger Wissenschaftsbehörde Rolf Greve das Potential von Data Science und die Bedeutung der DASHH für den Standort Hamburg.
Interdisziplinär aufgestellt – das DASHH-Partner-Netzwerk
- Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
- Universität Hamburg
- Technische Universität Hamburg
- Helmut-Schmidt-Universität
- Helmholtz-Zentrum Hereon
- Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung
- Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
- European XFEL GmbH
- Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Leser:innenkommentare