Modellansatz

Gudrun unterhält sich mit Tabitha Hoffmann über ihre im Dezember 2017 vorgelegte Masterarbeit mit dem Titel: On the Applicability of Computational Fluid Dynamics on the Determination of Elements in the Thermal Circuit of Electrical Machines. Das Projekt war eine Zusammenarbeit mit der Firma SEW-Eurodrive in Bruchsal. Das Temperaturverhalten von Elektromotoren ist von großem Interesse, denn kennt man die Temperaturverteilung im Elektromotor, kann man Aussagen über das Betriebsverhalten treffen und einzelne Komponenten effektiv vor Überhitzung schützen. Besonders interessant ist dabei der Raum zwischen Rotor und Stator der elektrischen Maschine, der als Luftspalt bezeichnet wird. Um die Auswirkung von Geometrieänderungen auf den thermischen Widerstand am Luftspalt abschätzen zu können, könnten ergänzende Computersimulationen große Vorteile bringen. Im Rahmen der Arbeit von Tabitha wird erstmals prinzipiell untersucht, ob aktuell die numerische Strömungsrechnung (engl. Computational Fluid Dynamics, kurz CFD) - gekoppelt mit Wärmeübertragungssimulationen - den thermischen Widerstand am Luftspalt genau genug bestimmen kann, um hier von Nutzen zu sein. In erster Näherung lässt sich der Luftspalt relativ elementar als Ringraum darstellen. Noch interessanter wären natürlich Ergebnisse, die auf einer möglichst präzisen Geometrienachbildung des Luftspaltes im Computer beruhen. Eine umfangreiche experimentelle wie theoretische Studie liegt zum Glück in Form der Dissertation von Becker aus dem Jahr 1957 vor. Beckers experimentelle Daten sind fundiert und präzise und bilden somit eine gute Grundlage für die Validierung der Simulationsergebnisse in der Masterarbeit. Exemplarisch werden von Tabitha zwei typische CFD-Zugänge gewählt: Einerseits Ansys CFX, da es ein weit verbreitetes und bei SEW gut eingeführtes kommerzielles Softwarepaket ist (es arbeitet als Black box auf der Basis von Finite-Volumen-Methoden ) und andererseits OpenLB, welches eine open source Forschungssoftware ist (auf der Basis von Lattice Boltzmann Methoden (LBM)), die in der Gruppe von Mathias Krause ständig weiterentwickelt wird. Beide Softwarepakete haben je eigene Vor- und Nachteile und stellen zwei typische Fälle dar. Das betrifft z. B. die anwenderfreundliche Benutzeroberfläche in einer kommerziellen Software, die jedoch auf den konkreten Anwendungsfall nur eingeschränkt speziell zugeschnitten werden kann vs. ein in der Schnittstelle nicht so ausgereiftes Produkt, für das jedoch recht schnell konkrete Module für das vorliegende Problem programmiert werden können. Außerdem sind auch die numerischen Paradigmen beider Pakete grundlegend unterschiedlich. Ansys CFX ist klassisch auf die numerische Lösung von kontinuierlich formulierten partiellen Differentialgleichungen spezialisiert, während LBM ein diskretes Modell für Strömung wählt und dieses dynamisch entfaltet. Als möglichst einfacher Einstieg in die Thematik wird in der Arbeit zunächst von Wärmeübertragung zwischen konzentrischen Zylindern mit rotierendem Innenzylinder ausgegangen und das Problem ohne axiale Strömung betrachtet. Man spricht von einer Taylor-Couette Strömung. Ist die Geschwindigkeiten des inneren Zylinders hoch genug, entstehen Taylor-Wirbel. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Messergebnissen von Becker und der Theorie zur freien Konvektion in horizontalen Ringen validiert. Anschließend wurden die Löser auf eine realistischere Geometrie angewendet mit Schlitzen am Stator (allerdings wieder ohne axiale Strömung). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Simulationsergebnisse in guter Übereinstimmung mit den Messergebnissen und der Theorie sind, aber nicht genau die gleiche kritische Taylorzahl liefern. Ein grundlegendes Problem für beide numerische Zugänge ist, dass der Luftspalt im Vergleich zu den Radien von Rotor und Stator sehr klein ist. Literatur und weiterführende Informationen ANSYS, Inc.: Innovative Turbulence Modeling: SST Model in ANSYS CFX/ ANSYS Inc. Version: 2011, Forschungsbericht ANSYS, Inc.: Ansys CFX Documentation 25th November 2017 Batchelor, G. K.: An introduction to fluid dynamics. Cambridge Univ. Press 1967. Becker, K. M.: An experimental and theoretical study of heat transfer in an annulus with an inner rotating cylinder, M.I.T., Diss., 1957 Chorin, A. J. ; Marsden, J. E.: A mathematical introduction to fluid mechanics. 2. ed. Springer Lancial, N. e.a.: Taylor-Couette-Poiseuille flow and heat transfer in an annular channel with a slotted rotor. In: International Journal of Thermal Sciences 112 (2017), Nr. Supplement C, 92 - 103. Hydrodynamische Instabilität

Gudrun wollte sich mit unserem neuen Kollegen über sein hauptsächliches Forschungsthema, die kinetische Theorie unterhalten. Diese Denkweise wurde zur Modellierung von Gasen entwickelt und ist inspiriert von physikalischen Vorstellungen, die kinetische Energie als inhärente Eigenschaft von Materie ansieht. Die kinetische Gastheorie schaut auf die mikroskopische Ebene, um schließlich makroskopische Größen wie Wärme und Temperatur besser zu erklären. Im sogenannten idealen Gas bewegen sich unfassbar viele kleine Massepunkte entsprechend der Newtonschen Mechanik frei, ungeordnet und zufällig im Raum, stoßen dabei ab und zu zusammen und wir empfinden und messen den Grad der Bewegungsaktivität der Teilchen als Wärme. Die Einheit, die man dieser Größe zunächst zuwies war Kalorie von lat. Calor=Wärme. Heute ist die richtige SI-Einheit für Energie (und damit auch Wärme) das Joule. Die messbare Größe Temperatur ist damit vereinfacht ausgedrückt die mechanische Engergie im Gassystem und das Modell liefert eine kinetische Theorie der Wärme. Man kann es aber auch als Vielteilchensystem von mikroskopischen Teilchen ansehen aus denen sich in klar definierten (unterschiedlichen) Grenzwertprozessen makroskopische Größen und deren Verhalten ableiten lassen. Die Untersuchung dieser Grenzwerte ist eine mathematisch sehr anspruchsvolle Aufgabe und bis heute ein offenes Forschungsfeld, in dem nur Stück für Stück spezielle Fragen beantwortet werden. Eine Schwierigkeit ist dabei nämlich, dass automatisch immer sehr unterschiedliche Skalen nebeneinander existieren und in ihrer Interaktion richtig gefaßt und verstanden werden müssen. Außerdem ist in der Regel jeder Grenzwert, für den sich interessante Forschungsergebnisse ergeben, innerhalb der Theorie eine Singularität. Schon Hilbert hatte 1900 die axiomatische Fassung der Physik zwischen Mechanik und Wahrscheinlichkeitsrechnung als eines der wichtigen mathematischen Probleme für das 20. Jahrhundert dargestellt. Wir sind seitdem vorangekommen, aber es bleibt noch sehr viel zu tun. Zum Beispiel ist die mögliche Korreliertheit zwischen den Teilchenbewegungen für Gase eine offene Frage (außer für kurze Zeiten). Ein Vorteil gegenüber der Zeit Hilberts ist heute, dass wir inzwischen auch den Computer benutzen können, um Modelle zu entwickeln und zu analysieren. Dafür muss man natürlich geeignete numerische Methoden entwickeln. In der Arbeit von Martin Frank sind es in der Regel Integro-Differentialgleichungen mit hyperbolischer partieller Differentialgleichung für die Modellierung von Bewegungen ohne Dämpfung. Diese haben schon durch die Formulierung viele Dimensionen, nämlich jeweils 3 Orts- und 3 Geschwindigkeitskomponenten an jedem Ort des Rechengebietes. Deshalb sind diese Simulationen nur auf großen Parallelrechnern umsetzbar und nutzen High Performance Computing (HPC). Hieraus erklärt sich auch die Doppelrolle von Martin Frank in der Verantwortung für die Weiterentwicklung der HPC-Gruppe am Rechenzentrum des KIT und der Anwendung von Mathematik auf Probleme, die sich nur mit Hilfe von HPC behandeln lassen. Sehr interessant ist in dieser Theorie die gegenseitige Beeinflussung von Numerik und Analysis in der Behandlung kleiner Parameter. Außerdem gibt es Anknüpfungspunkte zur Lattice Boltzmann Research Group die am KIT das Software-Paket OpenLB entwickeln und anwenden. Auch wenn sich geschichtlich gesehen die kinetische Theorie vor allem als Gastheorie etabliert hat, ist die Modellierung nicht nur in Anwendung auf Gase sinnvoll. Beispielsweise lassen sich Finanzmärkte aus sehr vielen unabhängig handelnden Agenten zusammensetzen. Das Ergebnis der Handlungen der Agenten ist der Aktienpreis - sozusagen die Temperatur des Aktienmarktes. Es lassen sich dann aufgrund dieses Modells Eigenschaften untersuchen wie: Warum gibt es so viele Reiche? Außerdem geht es auch darum, die richtigen Modellannahmen für neue Anwendungen zu finden. Zum Beispiel ist ein Resultat der klassischen Gastheorie das Beer-Lambertsche Gesetz. Es besagt, dass Photonen durch Wolken exponentiell abgeschwächen werden. Messungen zeigen aber, dass dies bei unseren Wolken gar nicht gilt. Wieso? Dafür muss man schon sehr genau hinschauen. Zunächst heißt das wohl: Die zugrunde liegende Boltzmann-Gleichung ist für Wolken eine zu starke Vereinfachung. Konkret ist es die Annahme, dass man sich die Wolken als homogenes Medium vorstellt wahrscheinlich nicht zutreffend, d.h. die Streuzentren (das sind die Wassertropfen) sind nicht homogen verteilt. Um ein besseres Modell als die Boltzmann-Gleichung herzuleiten müsste man nun natürlich wissen: Welche Art der Inhomogenität liegt vor? Martin Frank hat Mathematik und Physik an der TU Darmstadt studiert, weil er schon in der Schulzeit großes Interesse an theoretischer Physik hatte. Im Studium hat er sich schließlich auf Angewandte Analysis spezialisiert und darin auch nach dem Diplom in Mathematik an der TU Darmstadt weiter gearbeitet. In dieser Zeit hat er auch das Diplom in Physik a

Corina Schwitzke ist Gruppenleiterin im Institut für thermische Strömungsmaschinen (ITS) am KIT. Gudrun wollte gern ein Gespräch über partikelbehaftete Strömungen mit ihr führen, denn dies ist ein wichtiges Thema in beiden Arbeitsgruppen. In Corinas Institut gilt das Interesse vor allem der Zerstäubung von Kerosin zu feinen Tröpfchen in Flugtriebwerken Seit 10 Jahren gibt es dort Strömungssimulation mit einer sogenannten Partikelmethode. Die Partikel in dieser Anwendung sind Stützstellen der Rechenmethode und repräsentieren die Flüssigkeit, z.B. Kerosin, und das Gas, d.h. die verdichtete Luft. Vom Blickpunkt der Simulation aus sind die Partikel eigentlich nur Diskretisierungspunkte, die sich mit der Strömung mitbewegen. Sie repräsentieren dabei ein Volumen und die benutzten Koordinaten "schwimmen" mit dem Fluid, d.h. die Methode benutzt ein Lagrange-Koordinatensystem. Die Gleichungen, die der Simulation zugrunde liegen, sind die Navier-Stokes Gleichungen - zunächst isotherm. Falls die Temperaturänderung mitbetrachtet werden muss, dann erfolgt das durch das Lösen der Energiegleichung, für die die diskrete Fassung sehr einfach zu realisieren ist. Das für den Zerstäubungsprozess gut geeignete numerische Verfahren, das am ITS umgesetzt wurde (und dort auch noch weiter entwickelt wird) ist Smoothed particle Hydrodynamics (SPH). Die Methode wurde zu Beginn der 1970er Jahre für die Simulation von Galaxie-Entstehung entwickelt. Ein großer Vorteil ist, dass das Verfahren sich extrem gut parallel implementieren läßt und die Simulation Gebiete ausspart, wo zunächst nichts passiert. Außerdem ist es einfacher, die Physik des Tröpfchenzerfalls zu modellieren als mit den klassischen kontinuumsmechanischen Ansätzen. Der wichtigste Aspekt für die Simulation der Kraftstoffzerstäubung ist die Oberflächenspannung. Sie muss physikalisch und numerisch richtig beschrieben werden und führt dann dazu dass ein Flüssigkeitsfilm in Tropfen zerfällt. Hier geht das Wissen um Oberflächenspannungskoeffizienten ein, die aus Experimenten gewonnen werden ebenso wie die erwartbaren Kontaktwinkel an Wänden. Das Kräftegleichgewicht von angreifenden Scher- und Oberflächenkräften muss die modellierende Physik abbilden - die numerischen Partikel bekommen daraus direkt eine Geschwindigkeit zugewiesen, die auch ausdrückt, ob der Film reißt oder zusammenhängend bleibt. Diese Partikelmethode vermeidet die Probleme von gitterbasierten Verfahren beim Reißen des Films, denn Grenzflächen werden automatisch mittransportiert. Durch die gut skalierende parallele Implementierung ist es möglich, mit einigen Milliarden Partikeln zu rechnen. Die Ergebnisse der Simulationen haben vielfältige Anwendungen. Eine ist es Schadstoffemission zu minimieren. Das ist möglich durch erzwingen der vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes oder durch die Vermeidung der Entstehung von Stick- und Schwefeloxiden im Prozess. Das kann durch die Kraftstoffverteilung und über die Temperaturniveaus gesteuert werden. Eine andere Anwendung, die mit diesen Ideen schon funktioniert, ist die Kühlung von Zahnrädern in Getrieben durch einen Flüssigkeitsstrahl. In Zukunft soll auch die Simulation von Zerstäubung einer Biomasse möglich werden, die nichtnewtonsche Fließeigenschaften hat. Das große Ziel am ITS, das in naher Zukunft umgesetzt werden soll, ist ein virtueller Prüfstand für Zerstäubungsprozesse. Corina Schwitzke (geb. Höfler) hat Verfahrenstechnik an der Uni Karlsruhe studiert mit einem Schwerpunkt in Richtung Strömungsmechanik und Verbrennungstechnik. Ihre Diplomarbeit fertigte sie in Los Angeles zu einem Thema im Kontext von Verbrennung an. Es folgte eine Promotion an der KIT-Fakultät Maschinenbau in Karlsruhe, in der sie die Grundlage für die physikalische Modellierung der Zerstäubung mittels der SPH-Methode leistete. Studierende aus der Technomathematik und Informatik sowie dem Maschinenbau unterstützen das Institut in der Implementierung des Verfahrens.Literatur und weiterführende Informationen M.C. Keller e.a.:Turbomachinery Technical Conference and Exposition : Volume 2B - Turbomachinery Proceedings of ASME Turbo Expo 2017, Charlotte, North Carolina, USA, 26th - 30th June 2017, Art.Nr. GT2017-63594, ASME, New York (NY). doi:10.1115/GT2017-63594, 2017. M.C. Keller e.a.: Numerical Modeling of Oil-Jet Lubrication for Spur Gears using Smoothed Particle Hydrodynamics, 11th International SPHERIC Workshop, Munich, Germany, June 13-16, 2016, 69-76. S. Braun e.a.: Simulation of Primary Atomization: Assessment of the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Method ICLASS 2015 / 13th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems : August 23-27, 2015, Tainan, Taiwan. Ed.: Ta-Hui Lin C. Höfler:Entwicklung eines Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Codes zur numerischen Vorhersage des Primärzerfalls an Brennstoffeinspritzdüsen. Dissertation. 2013. Karlsruhe. doi:10.5445/IR/1000048880 J.J. Monaghan: Smoothed Particle Hydrodynamics. Annu. Rev. Astrophys. 1992.Podcasts T. He

Gudrun unterhält sich diesmal mit Johanna Mödl. Johanna hat von August bis Oktober 2017 ihre Bachelorarbeit Analytische und numerische Untersuchungen zum mikrowelleninduzierten Temperaturanstieg von zylindrischen Probekörpern aus Beton geschrieben. Der Hintergrund war ein Thema aus dem Institut für Massivbau und Baustofftechnologie (Abt. Baustoffe und Betonbau). Dort wird untersucht, wie hochenergetische Mikrowellen solche Temperaturunterschiede in (trockenen) Betonkörpern erzeugen, dass der Werkstoff an der Oberfläche zerstört wird. Um Erfahrungswerte im Umgang mit diesem Verfahren zu erhalten, werden derzeit Laborexperimente durch das Institut für Massivbau und Baustofftechnologie und das Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik, beides Institute des Karlsruher Instituts für Technologie, durchgeführt. Auf Basis der Messergebnisse wird versucht, den Vorgang durch einfache Gleichungen zu beschreiben, um vorhersagen zu können, wie er sich in größerem Maßstab verhält. Aufgrund der Komplexität des Prozesses werden nur vereinfachende Modelle betrachtet. Da diese sich durch partielle Differentialgleichungen beschreiben lassen, sollte der Vorgang während der Bachelorarbeit aus mathematischer Sicht analysiert werden. Die Ausbreitung der Mikrowellen-Energie als Wärme im Baustoff wird durch die Wärmeleitungsgleichung gut beschrieben. Dies ist eine in der Mathematik wohlstudierte Gleichung. Im Allgemeinen lassen sich aber analytische Lösungen nur schwer oder gar nicht berechnen. Daher mussten zusätzlich numerische Verfahren gewählt und implementiert werden, um eine Approximation der Lösung zu erhalten. Johanna entschied sich für das Finite-Differenzen-Verfahren im Raum und ein explizites Eulerverfahren in der Zeitrichtung, da beide einfach zu analysieren und zu implementieren sind. Erfreulicherweise stimmt die numerisch auf diese Weise approximierte Lösung mit den experimentellen Ergebnissen in den hauptsächlichen Gesichtspunkten überein. Die Wärme breitet sich von der Quelle in den Beton aus und es kommt im zeitlichen Verlauf zu einer kontinuierlichen Erwärmung in den Körper hinein. Das größte Problem und die vermutliche Ursache dafür, dass die Meßdaten noch nicht ganz genau mit den Simulationen übereinstimmen ist, dass man physikalisch sinnvollere Randbedingungen bräuchte. Im Moment wird - wie üblich - davon ausgegangen, dass am Rand des Betonzylinders, wo nicht die Energie eintritt, der Körper Umgebungstemperatur hat. Hier bräuchte man eine phyiskalische Modellierung, die das korrigiert. Literatur und weiterführende Informationen W. Hackbusch: Theorie und Numerik elliptischer Differentialgleichungen, Springer Spektrum, Wiesbaden, 4. Auflage, 2017. B. Lepers e.a.: A drying and thermoelastic model for fast microwave heating of concrete. Global Digital Central, Frontiers in Heat and Mass Transfer, 2014. M. Umminger e.a.: Ablation kontaminierter Oberflächen zementgebundener Bauteile beim Rückbau kerntechnischer Anlagen. Abschlussbericht, BMBF- Förderkennzeichen 02S8709 und 02S8719, Februar 2015.

Gudrun hat sich mit Oliver Beige unterhalten. Im Gespräch geht es um die theoretische Seite von Modellen für Wahlprognosen. Dabei beziehen sie sich in vielen Beispielen auf den Wahlkampf in den USA und insbesondere auf die Besonderheiten der Kampagne von Donald Trump. Die Gelegenheit bot sich vor einem gemeinsamen Konzertbesuch in Berlin-Neukölln in der Alten Welt Siralti. In der Theorie sind Wahlprognosemodell traditionell in der Politologie verankert, wurden aber immer mehr durch ökonomische Modelle verbessert. Die größte Veränderung der letzten Jahre ist, dass es immer mehr empirische Daten gibt, die auch zum Teil der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen. Solche Daten und Diskussionen zur Wertung finden sich z.B. auf der Webseite FiveThirtyEight. Große Berühmtheit erreichte schließlich Nate Silver dadurch, dass er 2008 in 49 von 50 US-Bundeststaaten das Ergebnis der US-Präsidentschaftswahlen korrekt vorhergesagt hatte. Im Wahljahr 2012 stimmte seine Vorhersage sogar in allen 50 Staaten. Seine Ergebnisse erzielte er dabei lediglich durch Aggregation von veröffentlichten Umfrageergebnissen. Im Wahljahr 2016 hat aber Donald Trump die Wahl gewonnen obwohl Nate Silvers Modelle (und die Modelle ähnlich arbeitender Wahlforscher) die Wahrscheinlichkeit dafür, dass Hillary Clinton die Präsidentschaftswahl für sich entschieden wird, auf 70% - 99% beziffert hatten. Es stellt sich die Frage, wo der Fehler dieser Prognosemodelle lag. Wenn man im Jahr 2016 genau zuhörte, gab es auch Stimmen, die Donald Trump schon im Frühjahr als wahrscheinlichen Gewinner der Wahlen sahen - z.B. die Zeitung Los Angeles Times. Sie wurden in den Medien zwar lieber als Ausreißer dargestellt, behielten aber schließlich recht. Wieso? Sie hatten den Demographiewandel in den USA in ihre Modellbildung einbezogen. Um zu verstehen, was damit gemeint ist, muss man zunächst einmal klarer beschreiben, wie US-Wahlen traditionell bisher abliefen, und welche Modelle daraus abgeleitet wurden. Es gibt ein schönes Denkmodell, das veranschaulicht, wie das sogenannte Hotelling Gesetz (1929) wirkt. Man stelle sich zwei Eisverkäufer am Strand vor. Wie sollten sie jeweils ihren Stand so positionieren, dass sie möglichst viele Kunden anziehen? Die stille Annahme dabei ist, dass die Badenden gleichmäßig über den Strand verteilt sind und alle irgendwann Lust auf ein (genau ein) Eis bekommen. Das verblüffende Ergebnis ist: Ein Equilibrium der Einflussbereiche der beiden Verkäufer stellt sich ein, wenn beide in der Mitte des Strandes nebeneinander stehen. Im Wahlkampf in den USA folgt man dieser Strategie, indem beide endgültigen Präsidentschaftskandidaten wenig ideologisch unterscheidbar aufgebaut werden. Begünstigt wird das auch durch das mehrstufige Wahlsystem, denn die Vorwahlen (Primaries) kann man dazu nutzen, dass die extremeren Kandidaten herausgefiltert werden. Dann entscheidet über den Sieg schließlich vor allem die erfolgreiche Mobilisierung der Wechselwähler. Eine (stillschweigende) Voraussetzungen dafür, dass von der Ähnlichkeit der Positionen der eigene Kandidat profitiert ist, dass die Wahlbeteiligung hoch ist. Das ist in den USA leider immer weniger der Fall. Dass die Wahlen 2016 anders verliefen als gewohnt, zeigte sich, als bei den Republikanern die Establishmentkandidaten keine Chance gegen den idologisch extremen Trump hatten. Bei den Demokraten konnte jedoch die moderatere Hillary Clinton den ideologisch positionierten Bernie Sanders ruhig stellen. Das bricht mit den bisher gültigen Annahmen der Wahlvorhersagemodelle: Hotellings Model funktioniert nicht mehr. Aber nur weniger der Modelle erkennen die veränderte Situation und reagieren mit neuen Prognosemodellen. Trump hatte dann schließlich auch Erfolg mit seiner Strategie, die Clinton-Wählerschaft zu entmutigen überhaupt zur Wahl zu gehen und die eigene - eigentlich kleine - Clientel extrem zu mobilisieren. Den Trend zur Radikalisierung der Republikaner beobachtet man tatsächlich schon eine Weile. Er setzte etwa mit der Wahl von Reagan ein. Es gab die inzwischen sprichwörtlichen "27%" -- Wähler, die auch einen völlig unqualifizierten rechtsgerichteten Kandidaten wählen. Der sprichwörtliche Name wurde erfunden, nachdem bei der Senatswahl in Illinois ein erkennbar aussichtsloser Kandidat gegen den damals unbekannten Obama 27% der Stimmen erhielt. Diese Zahl ist seitdem eher gestiegen. Für Wahlprognosen braucht es also Modelle, die dieses bekannte menschliche Verhalten besser berücksichtigen. Keith T. Poole und Howard Rosenthal sammeln alle Stimmen im amerikanischen Kongress - das sind ja einfache Ja/Nein Entscheidungen - und analysieren sie fortlaufend. Ihre Methoden lieferten Politikwissenschaftlern erstmals rigorose quantitative Methodiken für Ideologiehörigkeit von Entscheidern über die Zeit der Existenz der USA hinweg. Man nennt dies die Nominal Three-Step Estimation. Literatur und weiterführende Informationen Eisverkäufer Modell K.T. Poole, H. Rosenthal: A Spatial Model for Legislative Rol

Gudrun is speaking with the portuguese engineer Bruno Pousinho. He has been a student of the Energy Technologies (ENTECH) Master program. This is an international and interdisciplinary program under the label of the European Institute of Innovation and Technology (EIT) inbetween a number of European technical universities. Bruno spent his second master year at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Gudrun had the role of his supervisor at KIT while he worked on his Master's thesis at the Chair of Renewable and Sustainable Energy Systems (ENS) at TUM in Garching. His direct contact person there was Franz Christange from the group of Prof. Thomas Hamacher. Renewable energy systems are a growing part of the energy mix. In Germany between 1990 and 2016 it grew from 4168 GW to 104024 GW. This corresponds to an annual power consumption share of 3.4% and 31.7%, respectively. But in the related research this means a crucial shift. The conventional centralized synchronous machine dominated models have to be exchanged for decentralized power electronic dominated networks - so-called microgrids. This needs collaboration of mechanical and electrical engineers. The interdisciplinary group at TUM has the goal to work on modeling future microgrids in order to easily configure and simulate them. One additional factor is that for most renewable energy systems it is necessary to have the right weather conditions. Moreover, there is always the problem of reliability. Especially for Photovoltaics (PV) and wind turbines Weather phenomena as solar irradiation, air temperature and wind speed have to be known in advance in order to plan for these types of systems. There are two fundamentally different approaches to model weather data. Firstly the numerical weather and climate models, which provide the weather forecast for the next days and years. Secondly, so-called weather generators. The numerical models are very complex and have to run on the largest computer systems available. For that in order to have a simple enough model for planning the Renewable energy resources (RER) at a certain place weather generators are used. They produce synthetic weather data on the basis of the weather conditions in the past. They do not predict/forecast the values of a specific weather phenomenon for a specific time but provides random simulations whose outputs show the same or very similar distributional properties as the measured weather data in the past. The group in Garching wanted to have a time dynamic analytical model. The model is time continuous which grant it the ability of having any time sampling interval. This means it wanted to have a system of equations for the generation of synthetic weather data with as few as possible parameters. When Bruno started his work, there existed a model for Garching (developped by Franz Christange) with about 60 parameters. The aim of Bruno's work was to reduce the number of parameters and to show that the general concept can be used worldwide, i.e. it can adapt to different weather data in different climate zones. In the thesis the tested points range from 33º South to 40º North. In the synthesis of the weather generator the crucial tool is to use stochastic relations. Mostly the standard normal distribution is applied and shaped for the rate of change and corelation between RER. In particular this means that it describes the fundamental behavior of weather (mean, standard deviation, time- and cross-correlation) and introduces them into white noise in an analytical way. This idea was first introduced for crop estimation by Richardson in 1985. Time-dependence works on different time scales - through days and through seasons, e.g.. In the Analysis it is then necessary to parametrize the measured weather data and to provide a parameter set to the weather model. Bruno started his Master course in Lisbon at Instituto Superior tecnico (IST). In his second year he changed to KIT in Karlsruhe and put his focus on Energy systems. In his thesis he uses a lot of mathematics which he learned during his Bachelor education and had to recall and refresh. The results of the project are published in the open source model 'solfons' in Github, which uses Python and was developed in MATLAB. References F. Christange & T. Hamacher: Analytical Modeling Concept for Weather Phenomena as Renewable Energy Resources, in IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 2016. doi: 10.1109/ICRERA.2016.7884551 P. Ailliot, D. Allard, P. Naveau, C. D. Beaulieu, R. Cedex: Stochastic weather generators, an overview of weather type models, Journal de la Société Française de Statistique, Vol. 156, No 1, pp. 1-14, 2015. C.L. Wiegand, A.J. Richardson: Leaf area, light interception, and yield estimates from spectral components analysis, Agron. J., 76, 543, 1984. solfons: Artificial wheater data for energy system modeling, Software at GitHub. Podcasts S. Seier, T. Alexandrin: Blindstrom - Der En

Gudrun und Karoline Disser trafen sich am Rand eines Seminarvortrages an der TU in Darmstadt. Dort arbeitet Karoline am internationalen Graduiertenkolleg Mathematical Fluid Dynamics als Postdoc. Der Forschungsgegenstand, über den die beiden schließlich ins Gespräch kamen, ist die Bewegung starrer Körper, in denen eine Flüssigkeit eingeschlossen ist. Ein recht anschauliches Beispiel hierfür ist die Frage, wie man herausfinden kann, ob ein Ei schon gekocht oder noch roh ist. Wenn man es auf einer glatten Fläche aufrecht stehend rotieren lässt, bleibt das gekochte Ei fast aufrecht, während sich das rohe Ei schnell hinlegt und weiter um eine kurze Achse rotiert. Die Flüssigkeit verhindert die Präzession um die lange Achse. Allgemeiner ausgedrückt untersucht Karoline Trägheitsbewegungen gekoppelter Systeme, die aus einem starren Körper bestehen mit einem Hohlraum, der vollständig mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt ist. Sie zeigt mathematisch, dass bei beliebigen Anfangsdaten mit endlicher kinetischer Energie, jede korrespondierende schwache Lösung im Laufe der Zeit in eine gleichmäßige Rotation übergeht. Darüber hinaus ist diese Rotation nur um die Trägheitsachse mit dem größeren Trägheitsmoment stabil. Anschaulich ist das bei einem symmetrischen Körper oft die geometrisch kürzeste Achse. Unabhängig von der Geometrie und den Parametern zeigt dies, dass - wenn das System genug Zeit hat - das Vorhandensein von Flüssigkeit Präzession des Körpers verhindert. Die theoretischen Untersuchungen wurden durch numerische Simulationen begleitet. In diesem Video zu einem Experiement eines mit Flüssigkeit gefülltem starrem Körpers wird der Effekt illustriert, dass wenn er zuerst um die lange Achse angedreht wird, in der freien Bewegung schnell zu einer Rotation um eine kurze Achse findet. Interessant ist auch der Fall, wenn sich das flüssige Material nicht ähnlich wie Wasser verhält, sondern ein sogenanntes Nichtnewtonsches Fluid ist. Hierfür gibt es viele Anwendungen - zum Beispiel, wenn auch elastische Verformungen möglich sind. Das heißt konkret: In den partiellen Differentialgleichungen treten noch mehr nichtlineare Terme auf als im Fall der Navier-Stokes Gleichungen für wasserähnliche Stoffe. Für diese Terme müssen neue Techniken entwickelt werden. Literatur und weiterführende Informationen K. Disser: Strong Solutions for the Interaction of a Rigid Body and a Viscoelastic Fluid, Journal of Mathematical Fluid Mechanics 15(4), 2012. K. Disser e.a.: L^p -theory for strong solutions to fluid-rigid body interaction in Newtonian and generalized Newtonian fluids, Transactions of the American Mathematical Society 365(3), 2013. K. Disser: Asymptotic behaviour of a rigid body with a cavity filled by a viscous liquid, arXiv:1405.6221, 2014. K. Disser e.a.: Inertial Motions of a Rigid Body with a Cavity Filled with a Viscous Liquid, Archive for Rational Mechanics and Analysis 221(1):1-40, 2016. Podcasts H. Wilson: Viscoelastic Fluids, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 92, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. M. Steinhauer: Reguläre Strömungen, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 113, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.

Gudrun Thäter and Jonathan Rollin talk about their plans for the course Advanced Mathematics (taught in English) for mechanical engineers at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). The topics of their conversation are relevant in the mathematical education for engineers in general (though the structure of courses differs between universities). They discuss how to embrace university mathematics, how to study, what is the structure of the educational program and what topics will be covered in the first semester in Karlsruhe. For students starting an engineering study course it is clear, that a mathematical education will be an important part. Nevertheless, most students are not aware that their experiences with mathematics at school will not match well with the mathematics at university. This is true in many ways. Mathematics is much more than calculations. As the mathematical models become more involved, more theoretical knowledge is needed in order to learn how and why the calculations work. In particular the connections among basic ideas become more and more important to see why certain rules are valid. Very often this knowledge also is essential since the rules need to be adapted for different settings. In their everyday work, engineers combine the use of well-established procedures with the ability to come up with solutions to yet unsolved problems. In our mathematics education, we try to support that skills insofar as we train certain calculations with the aim that they become routine for the future engineers. But we also show the ideas and ways how mathematicians came up with these ideas and how they are applied again and again at different levels of abstraction. This shall help the students to become creative in their engineering career. Moreover seeing how the calculation procedures are derived often helps to remember them. So it makes a lot of sense to learn about proofs behind calculations, even if we usually do not ask to repeat proofs during the written exam at the end of the semester. The course is structured as 2 lectures, 1 problem class and 1 tutorial per week. Moreover there is a homework sheet every week. All of them play their own role in helping students to make progress in mathematics. The lecture is the place to see new material and to learn about examples, connections and motivations. In this course there are lecture notes which cover most topics of the lecture (and on top of that there are a lot of books out there!). So the lecture is the place where students follow the main ideas and take these ideas to work with the written notes of the lecture later on. The theory taught in the lecture becomes more alive in the problem classes and tutorials. In the problem classes students see how the theory is applied to solve problems and exercises. But most importantly, students must solve problems on their own, with the help of the material from the lecture. Only in this way they learn how to use the theory. Very often the problems seem quite hard in the sense that it is not clear how to start or proceed. This is due to the fact that students are still learning to translate the information from the lecture to a net of knowledge they build for themselves. In the tutorial the tutor and the fellow students work together to find first steps onto a ladder to solving problems on the homework. Gudrun and Jonathan love mathematics. But from their own experience they can understand why some of the students fear mathematics and expect it to be too difficult to master. They have the following tips: just take one step after the other, and do not give up too early discuss problems, questions and topics of the lecture with fellow students - talking about mathematics helps to understand it teach fellow students about things you understand - you will be more confident with your arguments, or find some gaps to fix take time to think about mathematics and the homework problems sit down after the lecture, and repeat the arguments and ideas in your own words in order to make them your own use the problem classes and tutorials to ask questions In the lecture course, students see the basic concepts of different mathematical fields. Namely, it covers calculus, linear algebra, numerics and stochastics. Results from all these fields will help them as engineers to calculate as well as to invent. There is no standard or best way to organize the topics since there is a network of connections inbetween results and a lot of different ways to end up with models and calculation procedures. In the course in Karlsruhe in the first semester we mainly focus on calculus and touch the following subjects: Numbers Methods of proof Complex numbers Sequences and convergence Functions and continuity Series Differential calculus of one real variable Integral calculus Numerical integration Elementary differential equations All of these topics have applications and typical problems which will be trained in the problem class. But moreo

Gudrun traf Patrick Nathen im April 2017 neben dem Flugfeld in Oberpfaffenhofen. Vielen ist dieser Ort ein Begriff, weil das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt dort seinen Sitz hat. Auch das von Patrick mitgegründete Startup Lilium Aviation hat dort seine Büros. Die Vision von Lillium ist es ein Anbieter wie Uber zu werden - allerdings für den Luftraum. Dafür wird ein senkrecht startender Jet entwickelt, der mit Elektromotoren relativ leise und mit wenig Platzbedarf beim Starten und Landen Personen in Ballungsgebieten schnell von Punkt zu Punkt transportiert: Mobility on demand. Die Fluggeräte starten senkrecht wie Hubschrauber und auf Reisehöhe werden sie zum Jet. Diesem Traum waren sie zum Zeitpunkt unseres Gespräches schon sehr nahe: Der Prototyp flog und befand sich im Zulassungsverfahren der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA). Neben den Fluggeräten muss auch die Infrastruktur entwickelt werden. Einerseits lassen sich die Helipads als Landeplätze in Metropolregionen nutzen, andererseits braucht es auch die Software, die Nutzer, Geräte und Landemöglichkeiten miteinander verbinden wird. In der Zukunft soll es sogar möglich werden, auf Piloten ganz zu verzichten, weil die Geräte vom Boden ferngesteuert werden. Statt - wie Gudrun an dem Morgen - über eine Stunde aus der Innenstadt von München nach Oberpfaffenhofen zu fahren, würde sich die Reisezeit für diese Strecke auf etwa 5 min verkürzen. Das klingt zu schön, um wahr zu werden - diese Idee müssen Menschen erst für möglich halten bevor es Normalität werden kann. Die Geschichte von Lilium begann 2013 in der WG von vier Ingenieurstudenten - Daniel Wiegand, Matthias Meiner, Patrick Nathen and Sebastian Born - mit einer "spinnerten" Idee. Alle haben an der Fakultät für Maschinenwesen der TU München studiert oder promoviert. Sehr schnell hatten sie einen ersten großen Investor gefunden, sind auf ein Team von 40 Leuten gewachsen (Stand April - inzwischen sind es schon 70) und nun wird der Zweisitzer im 1:1 Modell getestet. Das Folgeprodukt soll schließlich auch eine bemannte Zertifizierung bekommen und eine effektive Problemlösung für die Allgemeinheit werden. Das betrifft dicht besiedelte Metropolregionen genauso wie ländliche Regionen mit wenig ÖPNV-Optionen. Dafür haben sie in der zweiten Finanzierungsrunde 90 Millionen Euro Kapital eingeworben. Beim Starten und Landen gibt es auch in der von Lilium entwickelten Technologie Lärm wegen der Propeller, die für den Auftrieb sorgen. Da aber möglichst wenig Lärmentwicklung eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass sich die Technologie möglichst weit durchsetzen wird, wurde nach neuen Ideen zur Lärmvermeidung gesucht. Jetzt hat der Propeller eine Hülle. Dadurch wird weniger Schall abgestrahlt und die Effizienz erhöht. Im Reiseflug trägt sich der Flieger selbst. Um so einfach wie möglich zu bauen, muss man aber mit dem für Starten und Landen nötigen großen Motor irgendwie leben. In der Konstruktion gingen sie approximativ vor. Als ersten Schritt kann man die nötige Spannweite und Flügelfläche zusammen mit der Fluggeschwindigkeit durch vorläufige aerodynamische Faustformeln schätzen. Die zu erreichenden Widerstands- und Auftriebsbeiwerte legen schließlich auch das Profil der Flügel mehr oder weniger fest. Und die statische Stabilität kann mit Hilfe von Vorerfahrungen mit klassischen Flugobjekten gesichert werden. Zum Beispiel durch eine elliptische Auftriebsverteilung, die widerstandsarm ist, weil sie Turbulenzen an den falschen Stellen vermeidet. Für genauere Untersuchungen mussten diese Ideen und die gesamte Geometrie aber zunächst am Computer simuliert werden. Hier gibt es Berührungspunkte zur Arbeit an Gudruns Lehrstuhl, denn die genaue Strömungsrechnung erfordert moderne Softwarepakete auf dem Gebiet. Hinzu kommt, dass Batterien immer kritisch für die Sicherheit der Geräte sind. Sie heizen sich in der Start- und Landephase auf und das Kühlungskonzept muss wirklich clever sein. Die Anforderung ist, dass das Fluggerät im Winter in Schweden und im Sommer in Dubai funktioniert. Außerdem muss sichergestellt werden, dass eine brennende Batterie nicht zur Zerstörung des ganzen Gerätes führt. Schließlich sind auch Ergonomie und Raumluftkomfort keine unwichtigen Themen. Zum Beispiel müssen Böen durch den Flugcomputer abgefangen werden und hierfür ist Redundanz in den Triebwerken nötig. Literatur und weiterführende Informationen K. Weltner: Flugphysik. Physik des Fliegens, Strömungsphysik, Raketen, Satelliten. Books on Demand, Norderstedt, ISBN 978-3-7412-1472-1. W.-H. Hucho: Aerodynamik der stumpfen Körper. Physikalische Grundlagen und Anwendungen in der Praxis. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1462-3. P. Nathen e.a.: An extension of the Lattice-Boltzmann Method for simulating turbulent flows around rotating geometries of arbitrary shape, Conference: 21st AIAA Computational Fluid Dynamics Conference 2013. P. Nathen, D. Gaudlitz, N. Adams:Towards wall-adaption of turbulence models wit

Nikki Vercauteren erforscht an der Freien Universität Berlin die mehrskalige Analyse von atmosphärischen Prozessen und traf sich mit Sebastian Ritterbusch in der Urania Berlin, um über ihre Forschung und ihre Experimente auf Gletschern zu sprechen. Zum Zeitpunkt der Aufnahme fand in der Urania das Banff Mountain Film Festival, des Banff Centre for Arts and Creativity aus Kanada, statt. Auf dem Campus des Banff Centre befindet sich auch die Banff International Research Station (BIRS), ein Forschungsinstitut und Tagungsort nach Vorbild des Mathematischen Forschungsinstituts Oberwolfach, das sich der mathematischen Forschung und internationalen Zusammenarbeit verschrieben hat, und welches Nikki Vercauteren Anfang des Jahres zu einem Workshop besuchen konnte. Das Forschungsgebiet der Meteorologie umfasst viele Phänomene, von denen einige durch Fluiddynamik beschrieben werden können. Dabei geht es um eine große Menge von Skalen, von der globalen Perspektive, über kontinentale Skalen zur Mesoskala im Wetterbericht und der Mikroskala zu lokalen Phänomenen. Die Skalen bilden sich auch in den Berechnungsmodellen für die Wettervorhersage wieder. Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) betrachtet die globale Perspektive mit Hilfe von Ensemblevorhersagen. Von dort verfeinert das aus dem lokalen Modell des Deutschen Wetterdienstes (DWD) entstandene COSMO Modell die Vorhersage auf die europäische und schließlich nationale Ebenen. Hier geht es um die sehr lokale Analyse von Windgeschwindigkeiten, die bis zu 20mal pro Sekunde gemessen werden und damit die Analyse von lokalen Turbulenzen bis zum natürlichem Infraschall ermöglichen. Die Erfassung erfolgt mit Ultraschallanemometer bzw. ultrasonic anemometers, wo bei manchen Typen durch die Erfassung des Doppler-Effekts bewegter Staubteilchen die Bewegungsgeschwindigkeit der Luft durch mehrere Sensoren räumlich bestimmt wird. Teilweise werden auch Laser-Anemometer eingesetzt. Im Rahmen ihrer Promotion in Umweltwissenschaften an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) bekam Sie die Gelegenheit selbst vor Ort eine Messanlage auf einem Gletscher mit aufzubauen und in Stand zu halten. Der See- und Landwind sind typische Phänomene in der mikroskaligen Meteorologie, die Nikki Vercauteren zu ihrer Promotion am Genfersee zur Analyse von turbulenten Strömungen von Wasserdampf untersucht hat. Mit mehreren Laser-Doppler-Anemometern in einer Gitter-Aufstellung konnte sie so die Parametrisierung einer Large Eddy Simulation dadurch testen, in dem sie die im Modell angesetzte Energie in den kleinen Skalen mit den tatsächlichen Messungen vergleichen konnte. Kernpunkt der Betrachtung ist dabei das Problem des Turbulenzmodells: Als Verwirbelung in allen Skalen mit teilweise chaotischem Verhalten ist sie nicht vorhersagbar und kaum vollständig mathematisch beschreibbar. Sie spielt aber wegen der wichtigen Eigenschaften der Vermischung und Energietransfers eine elementare Rolle im Gesamtsystem. Glücklicherweise haben Turbulenzen beobachtete statistische und gemittelte Eigenschaften, die modelliert und damit im gewissen Rahmen und diesem Sinne mit Hilfe verschiedener Modelle durch identifizierte Parameter simuliert werden können. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Betrachtung der Grenzschicht über dem Erdboden, die zum einen durch die Sonneneinstrahlung besonders durch die Aufwärmung und Abkühlung der Erdoberfläche beinflusst wird und gleichzeitig den Bereich beschreibt, wo das bewegte Fluid Luft auf die stehenden Erde reagiert. Eine meteorologische Eigenschaft der unteren Grenzschicht ist das theoretische logarithmische Windprofil, das aber bei Sonneneinstrahlung oder Nachts durch Verformung der Turbulenzen Korrekturterme erforderlich macht. In einer Temperaturinversion wird die Grenzschicht stabiler und es bildet sich weniger Turbulenz aus, wodurch sich Schadstoffe auch weniger verteilen können. In diesen Wetterlagen kann sich durch den fehlenden Luftaustausch im Stadtgebiet leichter Smog bilden. Entgegen der Theorie kann es interessanterweise trotz stabiler Schichtung zu Turbulenzen kommen: Ein Grund dafür sind Erhebungen und Senken des Bodens, die Luftpakete beeinflussen und damit lokale Turbulenzen erzeugen können. Eine besondere Fragestellung ist hier die Frage nach der Intermittenz, wann ein stabiles dynamisches System chaotisch werden kann und umgekehrt. Ein anschauliches Beispiel von Intermittenz ist das Doppelpendel, das von einem sehr stabilen Verhalten plötzlich in chaotisches Verhalten umschwenken kann und umgekehrt: Trajektorie eines DoppelpendelsCC-BY-SA 100 Miezekatzen Leider ist bisher die Intermittenz in der Wettervorhersage nicht alleine aus der Theorie zu berechnen, jedoch kann man die Richardson-Zahl bestimmen, die den Temperaturgradienten in Verhältnis zur Windscherung stellt. Dieses Verhältnis kann man auch als Verhältnis der Energieverteilung zwischen kinetischer Bewegungsenergie und potentieller Wärmeenergie sehen und daraus Sch

Gudrun hat sich auf den Weg an ihre Alma Mater nach Dresden gemacht, um mit einem ehemaligen Kommilitonen zu sprechen, der dort als Diplom-Mathematiker schon seit 30 Jahren unter Ingenieuren Strömungssimulation betreibt. Markus Rösler hat von 1982-87 an der TU Dresden Mathematik studiert. Im Industriepraktikum im Rahmen des Studiums kam er in Berührung mit der damaligen Sektion Energieumwandlung und stieg dort für drei Monate in die Strömungssimulation ein. Nach dem Studium wechselte er dauerhaft auf eine Stelle im Institut für Srömungsmechanik in der damaligen Sektion Energieumwandlung, promovierte zum Dr.-Ing. und arbeitet seitdem neben der Lehre für Maschinenbauer an Projekten mit, die Strömungen in Gebäuden und in Räumen besser vorhersagen und analysieren zu können. Inzwischen an der Fakultät Maschinenwesen, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung. Gudrun und Markus teilen die Faszination für Strömungen, die fast schon philosophisch tief greift sowohl in der Beschreibung der Beobachtungen als auch im Verständnis der Phänomenologie. Das Tagesgeschäft in Markus' Alltag an der TU Dresden sind die Erforschung der Wirkung von Strömung im Raum auf Energiebedarf und thermische Behaglichkeit. Das erfolgt einerseits in konkreten Projekten - andererseits aber auch in grundlegenden Überlegungen für Situationen in Typenräumen in typischen Situationen. So entstand bereits ein Katalog, in dem sich Aussagen finden lassen, wie gebaut oder umgebaut werden kann, um die Energie effektiver zu nutzen. Ein Problem in der numerischen Simulation ist, dass die Strömung in Innenräumen in der Regel eine nicht vollständig ausgebildete turbulente Strömung ist. D.h. die Modellgleichungen sind jeweils - optimistisch ausgedrückt - im Grenzfall der Gültigkeit, da es weder laminar noch wirklich voll turbulent strömt. Die geometrische Auflösung ist dabei auch ganz kritisch. In einem Plattenheizkörper muss beispielsweise die genaue Luftströmung um den Heizkörper mit all seinen Lamellen berücksichtigt werden. Außerdem die Wasserströmung im Heizkörper. Die Strömungen werden in der Arbeitsgruppe in der Regel mit einer Reynolds-Mittelung der Navier-Stokes Gleichungen gerechnet, die mit geeigneten Turbulenzmodellen gekoppelt wird. Hier ergibt sich jedoch in der Regel ein Schließungsproblem, d.h. es gibt zu wenige Gleichungen für die Zahl der Variablen. Diese Lücke wird mit gewählten Parametern, die auf Messungen beruhen, geschlossen. Alle Rechnungen sollten etwa in Echtzeit erfolgen. Dafür sind die eben genannten Methoden gut geeignet. Andererseits werden immer genauere Rechnungen nötig, die mit den bisher genutzten Mittelungen nicht möglich sind. Dafür arbeiten sich Markus und seine Kollegen in neue Methoden ein - wie z.B. Lattice Boltzmann Modelle. Aber es ist noch sehr schwierig, mit diesen neuen und genaueren Methoden die geforderten Rechengeschwindigkeiten zu erreichen. Ein konkretes Beispiel aus der aktuellen Arbeit sind Simulationen für Dialyseräume. Es geht darum, Heizung, Lüftung und Kühlung für maximale thermische Behaglichkeit auszulegen. Dafür wird die Geometrie das Raumes, der Geräte und der Personen im Computer genau nachgebildet. Die Energiewende fordert von der Forschung nachhaltige Lösungen für die Wärmeversorgung und die Elektroenergietechnik. Im Lehrstuhl werden hierfür z.B. regionale virtuelle Kraftwerke untersucht. Für Markus geht es jedoch im engeren Sinne eher um die effektive Nutzung der Energie. Konkret werden in der nächsten Zeit instationäre Szenarien für thermische Behaglichkeit untersucht. Probanden können in einem Versuchsraum dem Anheben und Absenken von Temperaturen ausgesetzt werden und die Frage beantworten: Wann wird es unbehaglich? Es ist möglich Puffer für Wärme/Kälte mit Hilfe von Technik oder dem Gebäude selbst zu füllen und so zu nutzen, wie die Erkenntnisse aus der Probandenforschung es sinnvoll erscheinen lassen. An diesen Fragestellungen ist natürlich besonders interessant, dass eine Brücke zu Gesundheit und (Arbeits-)Medizin geschlagen wird. Als Mathematiker hat Markus unter den Energietechnikern zunächst eine steile Lernkurve absolviert, aber er findet nach wie vor die Ansicht auf Probleme von zwei Seiten - mathematisch und ingenieurtechnisch - besonders hilfreich. Die von den Ingenieuren benutzen numerischen Modelle sind zwar vereinfacht - mitunter sogar stark vereinfacht - aber doch erstaunlich zutreffend und lösen tatsächlich die Probleme sehr gut. Literatur und weiterführende Informationen Video zum Klimaraum am Institut X. Yuan, M. Rösler, R. Gritzki, C. Felsmann: Lattice-Boltzmann-Methoden zur Berechnung von Raumluftströmungen, GI Gesundheitsingenieure 2017. J. Seifert, R. Gritzki, A. Perschk, M. Rösler, M. Knorr, M. Wild, C. Russ: Co-Simulation am Beispiel eines Dialyseraums, GI Gesundheitsingenieur 2017. R. Gritzki, C. Kandzia, M. Rösler, C. Felsmann: Frische Luft direkt am Arbeitsplatz – Vergleich von konventioneller und persönlicher Lüftung in Büroräumen, Bauen im Bestand,

Gudrun Thäter hat sich an der FU Berlin zu einem Gespräch über Geschlecht und Mathematik mit Anina Mischau & Mechthild Koreuber verabredet. Anina Mischau leitet dort im Fachbereich Mathematik und Informatik die Arbeitsgruppe Gender Studies in der Mathematik. Dies ist in Deutschland die einzige derartige Stelle, die innerhalb der Mathematik angesiedelt ist. Sie hat dort vielfältige Aufgaben in Forschung und Lehre mit einem gewissen Schwerpunkt in der Ausbildung für das Lehramt. Dort hilft sie, einen Grundstein dafür zu legen, dass zukünftige Mathelehrkräfte für die Bedeutung der sozialen Kategorie Geschlecht bei der Vermittlung und beim Lernen von Mathematik sensibilisiert werden und lernen, einen gendersensiblen Mathematikunterricht zu gestalten. Auf Vorschlag von Anina Mischau hatten wir auch die zentrale Frauenbeauftragte der FU - Mechthild Koreuber - herzlich zu unserem Gespräch eingeladen. Auch sie ist studierte Mathematikerin und hat über Mathematikgeschichte promoviert. Uns alle bewegen solche Fragen wie: Warum entsprechen die Anteile von Frauen in höheren Ebenen der Mathematikfachbereiche nicht ihren Anteilen in den Eingangsstadien wie Studium oder Promotion? Liegt es auschließlich an den Eigenheiten der akademischen Laufbahn oder gibt es hierfür zudem spezifisch fachkulturelle Gründe? Was bedeutet es für die Mathematik, wenn sie ausschließlich von Männern entwickelt wird? In der wissenschaftlichen Arbeit hierzu verfolgen die zwei Gesprächspartnerinnen von Gudrun vier unterschiedliche Forschungsrichtungen: Wie stellt sich die Geschichte von Frauen in der Mathematik dar? Welche didaktischen Ansätze sind geeignet, um mehr Menschen zu Mathematik einzuladen? Was sind Exklusionsmechanismen für Frauen (und nicht in die vorherrschende Mathematiker-Norm passende andere Personen) in der Mathematik? Wie könnte eine Mathematik aussehen, die das Potential von unterschiedlicheren Menschen einbezieht? In der Geschichte der Mathematik geht es nicht nur darum, das Vergessen in und die Verdrängung von Frauen aus der eigenen Disziplingeschichte sichtbar zu machen, sondern vor allem auch um das Aufzeigen, wo und wie das Werk und Wirken von Mathematikerinnen mathematische Diskurse und damit innermathematische Entwicklungen der Disziplin beeinflusst haben. Ein Thema, an dem Mechthild Koreuber zum Beispiel intensiv forscht, ist die Schule um Emmy Noether. Wie konnte es einen so großen Kreis von Schülerinnen und Schülern geben, die bei ihr lernen wollten, trotz eigener prekären Stellensituation und damit verbunden auch (formal) wenig Reputationsgewinn für ihre Schüler und Schülerinnen. Es kann eigentlich nur die Faszination der mathematischen Ideen gewesen sein! Das Bild der Mathematik als von Männern entwickelte und betriebene - also männliche - Disziplin ist verquickt mit der Vorstellung, was von uns als Mathematik eingeordnet wird, aber auch wem wir mathematische Fähigkeiten zuschreiben. Automatisch werden innerhalb dieses Ideen- und Personennetzes Frauen bei gleichem Potential gegenüber ins Bild passenden Männern benachteiligt und ihr Potential kommt nicht so gut zur Entfaltung. Daneben feiern längst überwunden geglaubten Stereotype fröhliche Urständ, wie am 1.2. 2017 im ZEIT-Artikel Lasst Mädchen doch mit Mathe in Ruhe. Nicht ganz unschuldig am Abschied der Frauen von der Mathematik sind sicher auch unsere häufig steinzeitlichen Unterrichts-Konzepte auf der Hochschulebene, denn Mathematik ist nicht - wie angenommen - überkulturell. Wenn wir Mathematik betreiben, neue Ergebnisse gewinnen oder Mathematik vermitteln sind wir eingebunden in soziale und kulturelle Produktionszusammenhänge wie Kommunikationsprozesse, die u.a. auch durch die soziale Kategorie Geschlecht mit geprägt werden. Außerdem ist wie Mathematik publiziert und unterrichtet wird nicht wie Mathematik entsteht. Die Freude und Neugier an Mathematik wird in der Ausbildung nicht in den Vordergrund gestellt. Statt dessen ist Mathematik gerade für zukünftige Lehrkräfte oft mit negativen Gefühlen und einem eher eindimensionalen (und vielleicht auch stereotypen) Verständnis von Mathematik besetzt, was später in der eigenen schulischen Praxis unbeabsichtigt an Kindern und Jugendliche als Bild von Mathematik weitergegeben wird. Um diesen Teufelskreis aufzubrechen braucht es mehr Freiräume und auch neue Konzepte und Ansätze in der Hochschullehre. Wir Mathematiker und Mathematikerinnen sind für das Bild der Mathematik in der Gesellschaft verantwortlich. Ganz besonders in der Ausbildung für das Lehramt können wir hier starken Einfluss nehmen. Dafür müssen wir besser verstehen: Wo und wie werden Ideen ausgeschlossen, die dem engen vorherrschenden Bild von Mathematik nicht entsprechen? Wieso ist es ok, öffentlich auf Distanz zu Mathematik zu gehen (und damit zu kokettieren: In Mathe war ich immer schlecht) oder "Mathematiker als Nerd" oder halb verrückte Menschen darzustellen? Dieses Bild gehört neu gezeichnet durch allgemeinverständliches Reden über Mathematik und

Arne Rick (@Couchsofa) war schon ein häufiger, aber ungenannter Gast im Modellansatz Podcast: Als DJ war er auf den Aufnahmen von der aktuellen und früheren Gulasch-Programmiernächten im Hintergrund zu hören. Außer für Musik hat Arne auch ein großes Faible für Mathematik und Informatik und befasst sich im Zuge seiner von Prof. Marcus Aberle betreuten Bachelorarbeit zum Bauingenieurwesen an der Hochschule Karlsruhe mit Bezierkurven für Stabwerke. Stabwerke sind Modelle für Strukturen in Bauwerken und eine Lösung für ein System von Stabwerken hilft im konstruktiven Bauingenieurwesen, die Aufbauten in ihren Bemessungen und Anforderungen auszulegen und erforderliche Eigenschaften festzulegen. Die Darstellung als Stabwerke ist im Sinne eines Fachwerks eng verknüpft mit dem Prinzip von Finite Elementen, da diese in gewissen Anwendungen als Stabwerke und umgekehrt interpretiert werden können. Weiterhin können Stabwerke mit Hilfe von finite Elementen innerhalb der Stäbe genauer bestimmt bzw. verfeinert werden. Die Betrachtung des Stabwerks beginnt mit der Struktur und den Einwirkungen: Hier ist spielt das Semiprobabilistische Teilsicherheitsbeiwerte-System eine besondere Rolle, da es die möglichen Einwirkungen auf die Bauteile und damit die Gesamtanalyse probabilistisch erfassbar macht. Man unterscheidet hier nicht mehr so stark zwischen dem Bauen im Bestand, wo viele Nebenbedingungen zwar bekannt, aber die Eigenschaften der verbleibenden Bestandteile unsicher sind, und dem Aufbau eines Neubaus, wo es jeweils für die Bauingenieure gilt, die Vorgaben aus der Architektur konstruktiv, berechnend, planend und organisatorisch unter Berücksichtigung des möglichen Zeit- und finanziellen Rahmens, verfügbarer Materialien, Technik, Mitarbeiter und Bauverfahren sicher umzusetzen. Speziell in der Betrachtung der Stabwerke können die Fälle der statistischen Über- und Unterbestimmung des Bauwerks auftreten, wo Überbestimmung grundsätzlich zu Verformungen führt, eine Unterbestimmung andererseits kein funktionsfähiges Bauwerk darstellt. Weiterhin ändert jede Anpassung von beispielsweise der Tragfähigkeit eines Bauteils auch gleich zur Änderung des gesamten Stabwerks, da ein stärkerer Stab oft auch mehr wiegt und sich eventuell auch weniger verformt. Außerdem ziehen in einem statisch überbestimmten System die steiferen Elemente die Lasten an. So ist es häufig, eher unintuitiv, von Vorteil Bauteile zu schwächen um eine Lastumlagerung zu erzwingen. Dies führt in der Auslegung oft zu einem iterativen Prozess. Die Darstellung eines Stabes oder Balkens ist dabei eine Reduzierung der Wirklichkeit auf ein lokal ein-dimensionales Problem, wobei die weiteren Einwirkungen aus der Umgebung durch Querschnittswerte abgebildet werden. Die Voute ist ein dabei oft auftretendes konstruktives Element in der baulichen Umsetzung eines Tragwerks, die in der Verbindung von Stäben eine biegesteife Ecke bewirkt und in vielen Gebäuden wie beispielsweise dem ZKM oder der Hochschule für Gestaltung in Karlsruhe zu sehen sind. In der Modellierung der einzelnen Stäbe können verschiedene Ansätze zum Tragen kommen. Ein Standardmodell ist der prismatische Bernoulli Biegestab, das mit Differentialgleichungen beschrieben und allgemein gelöst werden kann. Daraus entstehen Tabellenwerke, die eine Auslegung mit Hilfe dieses Modell ermöglichen, ohne weitere Differentialgleichungen lösen zu müssen. Eine häufige Vereinfachung ist die Reduzierung des Problems auf zwei-dimensionale planare Stabwerke, die in den meissten Anwendungsfällen die relevanten Anforderungen darstellen können. Die Stäbe in einem Stabwerk können nun unterschiedlich miteinander verbunden werden: Eine Möglichkeit ist hier ein Gelenk, oder in verschiedene Richtungen und Dimension festlegte oder freie Lager, also Festlager oder Loslager zwischen Stäben oder einem Stab und dem Boden. Je nach Wahl der Verbindung entstehen in diesem Punkt eine unterschiedliche Anzahl von Freiheitsgraden. Für die praktische Berechnung werden Lager oft auch verallgemeinert, in dem die Verbindung über eine Feder modelliert wird: Hier haben ideale Loslager eine Federkonstante von 0, während die Federkonstante von idealen Festlagern gegen unendlich geht. Mit allen Werten dazwischen können dann reelle Lager besser beschrieben werden. In vereinfachter Form führt die Berechnung eines Stabwerks mit idealisierten unbiegbaren Balken mit den Endpunkten der Balken als Variablen und den Verknüpfung der Balken als Gleichungen direkt auf ein relativ einfaches lineares Gleichungssystem. Da sich in Realität alle Balken unter Last merklich verbiegen (es sei denn, sie sind vollkommen überdimensioniert), müssen sie grundsätzlich mit Steifigkeit modelliert werden, um belastbare Ergebnisse zu erhalten. Aber auch im erweiterten Modell wird der Stab durch eine Matrix linear beschrieben, nur dass hier auch die Last eine Rolle spielt und über das Elastizitätsmodul, Fläche und Trägheitsmoment die Verbiegungen abbilden kann. So ergibt das erweiterte Mod

Ein Gespräch mit Oliver Beige über dynamische Prozesse in der Mikroökonomik: Über Einfluss, Ideenpropagation und Nachbarschaftseffekte. Oliver Beige und Gudrun Thäter haben sich online über die große gemeinsame Schnittmenge im Musikgeschmack gefunden. Obwohl Oliver in Berlin lebt und Gudrun in Karlsruhe ist es schon vorgekommen, dass sie im gleichen Konzert waren ohne das rechtzeitig zu bemerken, weil sie sich persönlich noch nicht kannten. Im vergangenen Jahr fand Gudrun dann interessante Überlegungen zur aktuellen Anwendbarkeit der Ideen und Modelle von Malthus, die Oliver veröffentlicht hatte. Diese erwiesen sich als spannende Lektüre für die Studierenden der Modellbildungsvorlesung, die Gudrun gerade hielt. Damit war der Plan geboren, dass man sich nicht nur unbedingt einmal persönlich kennenlernen müsste, sondern bei nächster Gelegenheit auch für den Podcast einmal unterhalten sollte. Diese Gelegenheit bot sich im Juli 2017 nach einem Freiluftkonzert in der Kulturbrauerei in Berlin. Oliver ist Ökonom. Er hat 1993 in Karlsruhe sein Diplom in Wirtschaftsingenieurwesen erworben und sich anschließend in den Staaten umgesehen. Dort hat er 1997 einen Master of Business Administration (University of Illinois) abgeschlossen und sich schließlich im Rahmen seiner Promotion an der UC Berkeley mit der mathematischen Modellierung von Ideenpropagation und Entscheidungsprozessen in Netzwerken beschäftigt. Er hat dabei auch zwei Wellen von Innovation im Silicon Valley hautnah miterlebt. Was so einfach und grundlegend klingt ist tatsächlich eine sehr schwierig zu beantwortende Frage: Wie beeinflussen sich Mitglieder in einer Gruppe gegenseitig beim Finden von Entscheidungen? Während Soziologen gerne über gruppendynmische Prozesse diskutieren, arbeiten Ökonomen traditionell unter der vereinfachten Annahme, dass Entscheidungen als unabhängig voneinander getroffen werden - gestützt auf einer rein rationalen, isolierten Nutzenkalkulation. Erst seit Kurzem wird diese Annahme in der Ökonmie durch neue Modelle in Frage gestellt. Was jedoch modellhaft einen Zugang zum dynamischen Entscheidungsprozess in einer Gruppe verschaffen kann - in dem natürlich ganz viel Rückkopplung eingebaut werden muss - sind neuronale Netze - z.B. die Boltzmann-Maschine. Diese hatte Oliver in Karlsruhe kennen- und schätzen gelernt. Sie bilden ein stochastisches Feedback-Netzwerk, in dem man auch untersuchen kann, wie man zu einem Equilibrium kommen kann. Wie läuft denn so eine kollektive Entscheidung ab? Vorab hat jede/r in der Gruppe Präferenz - z.B. für einen bestimmten Film, den er oder sie gern in Begleitung anderer in der Gruppe sehen würde. Darüber wird gesprochen und schließlich teilt sich die Gruppe auf in Untergruppen, die im Kino den gleichen Film sehen. Im Gespräch werden die Präferenzen der anderen jeweils gewichtet in die eigene Entscheidung einfließen. Mathematisch wird das ausgedrückt in einer Nutzenfunktion, deren Wert maximiert wird. In der evolutionären Spieltheorie kann dieses dann als ein stochastischer Prozess modelliert werden, der mittels einer Potentialfunktion die Meinungsbildung der Gruppe als Equilibriumspfad darstellt. Von einem mehr abstrakten Level stellen sich auch die Fragen an ein so gewonnenes Equilibrium: a) Sind die Entscheidungen für die Gruppe die besten? b) Inwieweit beeinflusst die Struktur des sozialen Netzwerkes die Gruppenentscheidung? c) Kann die Gruppendynamik dazu führen, dass einzelne Mitglieder entgegen ihrer Präferenzen entscheiden (und damit das Axiom der offenbarten Präferenzen verletzen)? Zur Darstellung dieser Prozesse wandelte Oliver den traditionellen Entscheidungsbaum unter Ausnutzung der Markow-Eigenschaft in einen Entschediungsgraphen um. Dies war damals ein komplett neuer Ansatz und hat sich auch im großen Maßstab bis heute nicht durchgesetzt. Neu an der Arbeit war auch, dass zum ersten Mal im Zusammenhang der Netzwerkeffekte die Struktur des Netzwerkes betrachtet wurde. In der ursprünglichen Konzeption in der Arbeit von Michael Katz und Carl Shapiro wurde die Heterogenität des Netzwerkes noch explizit ausgeschlossen. Wie wichtig Nachbarschaftseffekte sind, weiß man in der Innovationsökonomik aber schon seit Zvi Griliches die schrittweise Verbreitung des ertragreicheren Hybridmaises in den USA über Mundpropaganda erforscht hatte. Diese Form der Ideenpropagation ist auch ein wichtiger Baustein in Jared Diamonds "Guns, Germs, & Steel" (das den Pulitzerpreis gewann). Großen Einfluss auf Olivers Arbeit haben die Arbeiten des Pioniers der Spieltheorie Thomas Schelling (Nobelpreisträger 2005), der so wichtige Begriffe wie Nachbarschaftseffekte, kritische Masse und das Konzept des Tipping points einführte. Heute setzt Oliver seine Kenntnisse über dynamische Prozesse bei Entscheidungen über Investitionen in Startups, insbesondere im Bereich der verknüpften Mobilität und der Verbreitung neuer Technologien wie z.B. Blockchain, ein. Literatur und weitere Informationen J. Diamond: Guns, Germs, and S

Paul Darscheid gehört der KIT-Hochschulgruppe Engineers without borders an und arbeitet dort konkret in einer Projektgruppe mit, die im ländlichen Raum von Äthopien einen Brunnen bohrt. Um dafür die Nachhaltigkeit des Grundwasserzuflusses zu klären, suchte er den Kontakt zu Uwe Ehret vom Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Hydrologie. Die spannenden Themen dort fesselten ihn so sehr, dass schließlich auch seine Masterarbeit in Zusammenarbeit mit der Hydrologie entstand. Zum Spektrum der Fragen der Hydrologen gehören sehr viele unterschiedliche Themen. Man kann summarisch sagen: alles zum Thema Wasserkreislauf, was nicht die Meteorologen beantworten. Konkret geht es z.B. um Niederschlagsabfluss oder Hochwasservorhersage. Eine Frage, die dabei immer wieder auftaucht ist: Wo steckt die meiste Information in den Datensätzen oder den erstellten Modellen? Ein typischer Anwendungsfall schließt beispielsweise aus den Flußpegelstände von unterschiedlichen Flüssen im gleichen System, den Niederschlagmessungen, der Lufttemperatur, Schneehöhen, Bodenfeuchte und Bodenbeschaffenheit auf die Zielgröße - einen konkreten Flusspegelstand. Ein Zusammenhang aller Daten mit der Zielgröße ist klar, aber wie er konkret aussieht ist schwerer zu fassen. Informationsflüsse quantifizieren in diesem Kontext, welche Messreihen die meisten Informationen über die Zielgröße liefern. Daneben stellt sich auch die Frage: Kann ich einmal gewonnene Konzepte auf andere System übertragen? Kann ich mir dort sparen noch einmal sehr viel zu messen, also mit weniger Daten auskommen? Am Anfang steht dann die Frage: Was ist Information? Das Konzept für das sich Paul Darscheid entschieden hat ist die Shannon Entropie - ein Maß für Unsicherheit aufgrund der vorliegenden Streuung in den Daten. Tatsächlich besteht ein Zusammenhang zum physikalischen Begriff der Entropie. Die unterstellte Verteilung eines Datensatzes wird zur Grundlage auf der Größen wie Informationssicherheit und andere abgeleitet werden. Die Natur als Meßdaten führt auf eine diskrete Verteilung, die evtl. noch vergröbert wird durch Wählen von Stufen (bins) innerhalb derer der Unterschied als nicht relevant angesehen wird. Für eine Beobachtung stellt sich die Frage: Wieviel Information steckt in dieser zusätzlichen Messung? Für sehr wahrscheinliche Ereignisse ist es kaum zusätzliches Wissen, weil es mit vorherigen Vermutungen übereinstimmt. Für ein unwahrscheinliches Ereignis ist die zusätzlich gewonnene Information sehr groß. Ein Problem ist auch, dass die diskrete Verteilung aus beobachteten Daten gewonnen wird - d.h. man muss eine Schätzung der Verteilung vornehmen. Darauf aufbauend ist es wichtig zu wissen, wie mit Teilmengen des Datensatzes die geschätzte Verteilung approximiert werden kann. Die Unsicherheit hierbei kommt durch Streuung der Daten und durch den vorhandenen Ausschnitt der Realität, der in den Daten eingefangen wird. Wie sehr beeinflusst die Größe des Datensatzes die zutreffende Schätzung der Verteilung? Dies lässt sich mir der Kullberg-Leibler-Divergenz beschreiben, die die Unsicherheit durch Unwissen über die Verteilung misst. Die Kreuzenthropie addiert die Unsicherheiten der Shannon Entropie und der Kullberg-Leibler Divergenz und ist damit ein Maß für die Gesamtunsicherheit der Schätzung der Verteilung. Hierbei erleichtern die logarithmischen Maße das Rechnen - Produkte werden zu Summen. Literatur und weiterführende Informationen Brunnenprojekt Jello Adancho: Wir versorgen ein Dorf in Äthiopien mit sauberem Trinkwasser Claude Elwood Shannon: The Mathematical Theory of Communication, The Bell System Technical Journal, Vol. 27, pp. 379–423, 623–656, July, October, 1948. Grassberger: Entropy Estimates from Insufficient Samplings, arXiv:physics/0307138, 2003. Thomas M. Cover and Joy A. Thomas. Elements of Information Theory, (Wiley Series in Telecommunications and Signal Processing). Wiley-Interscience, 2006. Vijay P. Singh. Entropy theory and its applications in environmental and water engineering, Wiley-Blackwell, 2013. Janusz Miskiewicz. Improving quality of sample entropy estimation for continuous distribution probability functions, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 450(C):473–485, 2016. Ilias G. Pechlivanidis, Bethanna Jackson, Hilary Mcmillan, and Hoshin V. Gupta. Robust informational entropy-based descriptors of flow in catchment hydrology, Hydrological Science Journal, 61(1):1–18, 2016. Podcasts S. Hemri: Ensemblevorhersagen, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 96, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.

Peer Kunstmann hat in Kiel Mathematik studiert und 1995 promoviert. In seiner Zeit an der Fakultät für Mathematik in Karlsruhe hat er sich 2002 habilitiert. Er arbeitet als Akademischer Oberrat dauerhaft in der Arbeitsgruppe Angewandte Analysis an unserer Fakultät. Gudrun hat das Gespräch über ein für beide interessantes Thema - das Stokesproblem - gesucht, weil beide schon über längere Zeit mit unterschiedlichen Methoden zu dieser Gleichung forschen. Das Stokesproblem ist der lineare Anteil der Navier-Stokes Gleichungen, dem klassischen Modell für Strömungen. Sie haben eine gewisse Faszination, da sie einfach genug erscheinen, um sie in ihrer Struktur sehr eingehend verstehen zu können, zeigen aber auch immer wieder, dass man sie nicht unterschätzen darf in ihrer Komplexität. Peers Interesse wurde zu Beginn seiner Zeit in Karlsruhe durch Matthias Hieber geweckt, der inzwischen an der TU Darmstadt tätig ist. Es zeigte sich seit damals als sehr aktives Forschungsgebiet, weshalb er auch immer wieder neu zu diesen Fragestellungen zurückgekehrt ist. Mit den klassischen Randbedingungen (konkret, wenn auf dem Rand vorgeschrieben wird, dass die Lösung dort verschwindet = homogene Dirichletbedingung) ist das Stokesproblem auffassbar als Laplaceoperator, der auf Räumen mit divergenzfreien Vektorfeldern agiert. Der Laplaceoperator ist sehr gut verstanden und die Einschränkung auf den abgeschlossenen Unterraum der Vektorfelder mit der Eigenschaft, dass ihre Divergenz den Wert 0 ergibt, lässt sich mit einer Orthogonalprojektion - der Helmholtzprojektion - beschreiben. Im Hilbertraumfall, d.h. wenn die Räume auf einer L^2-Struktur basieren und der Raum deshalb auch ein Skalarprodukt hat, weiß man, dass diese Projektion immer existiert und gute Eigenschaften hat. Für andere Räume ohne diese Struktur (z.B. -basiert für q nicht 2) hängt die Antwort auf die Frage, für welche q die Projektion existiert, von der Geometrie des Gebietes ab. Für beschränkte Gebiete geht vor allem die Glattheit des Randes ein. Das spiegelt sich auch auf der Seite des Laplaceproblems, wo die Regularität im Innern des Gebietes relativ elementar gezeigt werden kann, aber in der Nähe des Randes und auf dem Rand gehen in die Argumente direkt die Regularität des Randes ein. Mathematisch wird das Gebiet dabei mit Kreisen überdeckt und mit Hilfe einer sogenannten Zerlegung der Eins anschließend die Lösung für das ganze Gebiet zusammengesetzt. Für die Kreise, die ganz im Innern des Gebietes liegen, wird die Lösung auf den ganzen Raum mit dem Wert 0 fortgesetzt, weil die Behandlung des ganzen Raumes sehr einfach ist. Für Kreise am Rand, wird der Rand lokal glatt gebogen zu einer geraden Linie und (ebenfalls nach Fortsetzung mit 0) ein Halbraum-Problem gelöst. Natürlich liegt es in der Glattheit des Randes, ob das "gerade biegen" nur kleine Fehlerterme erzeugt, die sich "verstecken" lassen oder ob das nicht funktioniert. Für einen Rand, der lokal durch zweimal differenzierbare Funktion dargestellt werden kann, funktioniert diese Technik gut. Für Gebiete, die einen Rand haben, der lokal durch Lipschitzstetige Funktionen darstellbar ist, werden z.B. Randintegraldarstellungen direkt untersucht. Dort existiert die Helmholtzzerlegung für alle q im Intervall (wobei vom Gebiet abhängt). Durch die kleinen Fehlerterme, die in der Technik entstehen, wird es auch nötig, die Gleichung für die Divergenz zu untersuchen, wo keine 0 sondern eine beliebige Funktion (natürlich mit den entsprechenden Regularitätseigenschaften) als rechte Seite erlaubt ist. Ein Begriff, der eine wichtige Eigenschaft von partiellen Differentialgleichungen beschreibt, ist der der maximalen Regularität. Einfach ausgedrückt heißt das, wenn ich die rechte Seite in einem Raum vorgebe, ist die Lösung genau so viel regulärer, dass nach Anwendung des Differentialoperators das Ergebnis die Regularität der rechten Seite hat. Für das Laplaceproblem wäre also die Lösung v für jedes vorgegebene f so, dass und f im gleichen Raum sind. Diese Eigenschaft ist z.B. wichtig, wenn man bei nichtlinearen Problemen mit Hilfe von Fixpunktsätzen arbeitet, also z.B. den Operators iterativ anwenden muss. Dann sichert die maximale Regularität, dass man immer im richtigen Raum landet, um den Operator erneut anwenden zu können. Im Zusammenhang mit der Frage der maximalen Regularität hat sich der -Kalkül als sehr nützlich erwiesen. Ein anderer Zugang wählt statt der Operatorformulierung die schwache Formulierung und arbeitet mit Bilinearformen und Ergebnissen der Funktionalanalysis. Hier kann man vergleichsweise wenig abstrakt und in diesem Sinn elementar auch viel für das Stokes- und das Navier-Stokes Problem zeigen. Es gibt ein vorbildliches Buch von Hermann Sohr dazu. Literatur und weiterführende Informationen M. Geißert, P.C. Kunstmann: Weak Neumann implies H^\infty for Stokes, Journal Math. Soc. Japan 67 (no. 1), 183-193, 2015. P.C. Kunstmann: Navier-Stokes equations on unbounded domains with rough initial data, Czechos

Zur GPN17 des Entropia e.V. im ZKM - Zentrum für Kunst und Medien und der Hochschule für Gestaltung (HfG) hat Florian Magin (@0x464d) einen Vortrag zu Automated Binary Analysis gehalten und war bereit uns auch im Podcast zu erzählen, wie er mit mathematischen Verfahren Software auf Schwachstellen analysiert. Florian studiert Informatik an der TU Darmstadt und engagiert sich im CTF-Team Wizards of Dos seiner Universität. Sein Interesse an der Computersicherheit hat ihn auch zur Firma ERNW Research geführt, wo er als Werkstudent in der IT-Sicherheitsforschung tätig ist. Wie wichtig die Suche nach Schwachstellen und deren Absicherung ist, wurde kürzlich bei der weltweiten Verbreitung der WannaCry/WannaCrypt-Schadsoftware bewusst, die die Aufmerksamkeit von einer anderen und lukrativeren Schadsoftware Adylkuzz ablenkte. Unter der Binary Analysis versteht man die quellenlose Analyse eines Programms alleine auf den Daten im Maschinencode auf einem Speichermedium. Ein erster Schritt der Analysis ist die Wandlung der Maschinensprache in Mnemonic durch einen Disassembler. Dieser Programmcode kann sich deutlich von einer ursprünglichen Quelltext des Programms unterscheiden, da der Maschinencode erzeugende Compiler eine Vielzahl von Optimierungsmöglichkeiten umsetzt, die den Ablauf und das Abbild des Programms im Maschinencode deutlich verändern können. Eine Herausforderung stellt sich inzwischen in der Größe der Programme: Während es inzwischen zahlreiche Wettbewerbe gibt, Programme unter extremen Platzbeschränkungen umzusetzen, wächst die Größe klassischer Programme stark an. Ein Maschinensprache-Befehl kann in einem Byte kodiert sein, wie früher etwa hexadezimal C9 auf dem Z80 eine Unterroutine beendet, so können in 4 Bytes Operationen wie eine Addition samt Parameter definiert sein. Die automatisierte Binäranalyse hat besonders durch die Darpa Cyber Grand Challenge im Jahr 2016 großes Interesse geweckt, wo die Teams autonome Software entwickeln sollten, die für sich alleine den CTF-Wettbewerb bestreitet. Eine Anwendung solcher automatisierten Programme ist die schnelle Überprüfung von neuer Software auf bekannte oder typische Schwachstellen oder Implementierungsfehler. Eine sehr allgemeine Methode zur Detektion von Sicherheitslücken ist das Fuzzing: Das Open Source Tool AFL modifiziert beispielsweise korrekte Eingabewerte und prüft bei welcher Modifikation das Programm vom zuvor aufgezeichneten Programmablauf abweicht und damit einen Hinweis auf eine mögliche Schwachstelle gibt. Es kann dabei idealerweise auf dem Sourcecode operieren oder auch das Programm in einem Emulator wie QEMU ausführen und analysieren. Wie schwer aber selbst Source Code zu verstehen sein kann, zeigen die Wettbewerbe International Obfuscated C Code Contest (IOCCC), zu möglichst schwer verständlichen sinnvollen Code, und der Underhanded C Contest, wo ein scheinbar sinnvoller Code für Menschen möglichst unvorhersehbare Zusatzfunktionen aufweist. Ebenso können sehr beliebte Programmiersprachen wie Python sehr unvorhersehbar reagieren, wenn man versehentlich Tabulatoren und Space vermischt, oder gleich die Programmiersprache Whitespace benutzt. Ein weiteres Beispiel ist, dass das Breitenlose Leerzeichen in neuen C++-Standards erlaubt ist, und für den Menschen ununterscheidbaren Code ermöglicht, der unterschiedliche Dinge tut. Aber auch Computer können getäuscht werden, wenn zum Vergleich unsichere Hash-Funktionen genutzt werden, wie jüngst die Shattered-Attacke auf die SHA-1 Hash zeigte. Eine automatisierte Analysemöglichkeit ist die Control Flow Graph Recovery, die beispielsweise mit IDA , radare2, binary ninja durchgeführt werden kann, um aus einer eindimensionalen Speicherdarstellung zu einem Programmnetz, wo zusammengehörige Programmblöcke miteinander vernetzt werden. Hier kann auch schon sichtbar werden, ob beschränkte Bereiche ohne Authentifikation erreicht werden können. Ein weiteres automatisierbares Verfahren ist die Datenflussanalyse, wo die Verarbeitung und Auswirkungen von Variablen und Daten im Verlauf des Programms analysiert wird. Hier kann der Verlauf von beispielsweise vertraulichen Daten kontrolliert werden. Bei einer Symbolischen Auswertung wird das Programm abstrakt mit einem Interpreter auf beliebigen variablen Daten bzw. symbolischen Ausdrücken auf allen Pfaden gleichzeitig ausgeführt. Für die Pfaderkundung benötigt man hier eine Strategie zwischen der Breitensuche und Tiefensuche, um die relevanten Teile des Ausführungsgraphen möglichst schnell abzudecken. In der automatisierten Analyse werden dabei offene Sprungmöglichkeiten zu nahezu beliebigen Adressen sehr interessant, da dies einen starken Indikator für einen Angriffsvektor liefern. Mit Return-oriented Programming kann man so bestehenden Code gezielt anspringen und für eigene Zwecke missbrauchen. Das Open-Source Framework Angr wurde von Forschern des Computer Security Lab at UC Santa Barbara entwickelt und belegte mit Shellphish auf der Darpa-Challenge den dritten Pla

Stephanie Wollherr hat ihr Mathestudium am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) absolviert und in unserer Arbeitsgruppe die Abschlussarbeit im Kontext von numerischen Methoden für Wellengleichungen geschrieben. Damals hat Gudrun Thäter sie aus dem Podcastgespräch verabschiedet mit dem Wunsch, in einigen Jahren zu hören, was sie in der Zwischenzeit mathematisches tut. Was wie eine Floskel klingen mag, hat nun zum ersten Mal tatsächlich stattgefunden - ein Gespräch zur Arbeit von Stephanie in der Seismologie an der Ludwig-Maximillians-Universität (LMU) in München. In der Geophysik an der LMU wurde in den letzten 10 Jahren eine Software zur Wellenausbreitung entwickelt und benutzt, die immer weiter um simulierbare Phänomene ergänzt wird. Stephanie arbeitet an Dynamic Rupture Problemen - also der Simulation der Bruchdynamik als Quelle von Erdbeben. Hier geht es vor allem darum, weitere physikalische Eigenschaften wie z.B. Plastizität (bisher wurde meist vorausgesetzt, dass sich das Gestein elastisch verformt) und neue Reibungsgesetze zu implementieren und in Simulationen auf ihre Wirkung zu testen. Als Basis der Simulationen stehen zum einen Beobachtungen von Erdbeben aus der Vergangenheit zur Verfügung, zum anderen versucht man auch durch Laborexperimente, die aber leider ganz andere Größenskalen als die Realität haben, mögliche Eigenschaften der Bruchdynamik miteinzubeziehen. Die Daten der Seimsologischen Netzwerke sind zum Teil sogar öffentlich zugänglich. Im Bereich Dynamic Rupture Simulationen kann man eine gewisse Konzentration an Forschungskompetenz in Kalifornien feststellen, weil dort die möglicherweise katastrophalen Auswirkungen von zu erwartenden Erdbeben recht gegenwärtig sind. Das South California Earthquake Center unterstützt zum Beispiel unter anderem Softwares, die diese Art von Problemen simulieren, indem sie synthetische Testprobleme zur Verfügung stellen, die man benutzen kann, um die Ergebnisse seiner Software mit anderen zu vergleichen. Prinzipiell sind der Simulation von Bruchzonen bei Erdbeben gewissen Grenzen mit traditionellen Methoden gesetzt, da die Stetigkeit verloren geht. Der momentan gewählte Ausweg ist, im vornherein festzulegen, wo die Bruchzone verläuft, zutreffende Reibungsgesetze als Randbedingung zu setzen und mit Discontinuous Galerkin Methoden numerisch zu lösen. Diese unstetig angesetzten Verfahren eignen sich hervorragend, weil sie zwischen den Elementen Sprünge zulassen. Im Moment liegt der Fokus darauf, schon stattgefundene Erbeben zu simulieren. Leider sind auch hier die Informationen stets unvollständig: zum Beispiel können schon vorhandenen Bruchzonen unterhalb der Oberfläche unentdeckt bleiben und auch das regionale Spannungsfeld ist generell nicht sehr gut bestimmt. Eine weitere Herausforderung ist, dass die Prozesse an der Verwerfungszone mit sehr hoher Auflösung (bis auf ein paar 100m) gerechnet werden müssen, während der Vergleich mit Werten von Messstationen, die vielleicht einige 100 km entfernt sind einen sehr großen Simulationsbereich erfordert, was schnell zu einer hohen Anzahl an Elementen führt. Die Rechnungen laufen auf dem SuperMUC Supercomputer am LRZ in Garching und wurden durch eine Kooperation mit der Informatik an der TUM deutlich verbessert. Discontinuous Galerkin Verfahren haben den großen Vorteil, dass keine großen, globalen Matrizen entstehen, was eine Parallelisierung relativ einfach macht. Auf der anderen Seite kommen durch die element-lokale Kommunikation viele kleinere Matrix-Vektor Produkte vor, die grundlegend optimiert wurden. Ein weiterer Aspekt der Zusammenarbeit mit der TUM beschäftigte sich zum Beispiel mit der zu verteilenden Last, wenn für einige Elemente nur die Wellengleichung und für andere Elemente zusätzlich noch die Bruchdynamik gelöst werden muss. Auch bei der Input/Output Optimierung konnten die Informatiker willkommene Beiträge leisten. Dieser Beitrag zeigt die Notwendigkeit von interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Mathematiker, Geophysikern und Informatikern, um Erdbeben und die Dynamik ihrer Quelle besser zu verstehen. Literatur und weiterführende Informationen A. Heinecke, A. Breuer, S. Rettenberger, M. Bader, A. Gabriel, C. Pelties, X.-K. Liao: Petascale High Order Dynamic Rupture Earthquake Simulations on Heterogeneous Supercomputers, proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis SC14, 3–15, 2014. A.-A. Gabriel, E. H. Madden, T. Ulrich, S. Wollherr: Earthquake scenarios from Sumatra to Iceland - High-resolution simulations of source physics on natural fault systems, Poster, Department of Earth and Environmental Sciences, LMU Munich, Germany. S. Wollherr, A.-A. Gabriel, H. Igel: Realistic Physics for Dynamic Rupture Scenarios: The Example of the 1992 Landers Earthquake, Poster, Department of Earth and Environmental Sciences, LMU Munich. J. S. Hesthaven, T. Warburton: Nodal discontinuous Galerkin methods: algorithms, analysis, and applications,

Zur GPN17 des Entropia e.V. im ZKM - Zentrum für Kunst und Medien und der Hochschule für Gestaltung (HfG) hat Manuel Lösch einen Vortrag zu Smart Meter Gateways gehalten. Manuel promoviert am FZI Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe zu intelligenten Stromnetzen und der Flexibilisierung von elektrischen Lasten, um diese netzdienlich zur Verfügung zu stellen. Die Einführung des Smart Meter Gateway wurde mit dem Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende Ende 2016 in Deutschland beschlossen. Dabei muss man Smart Meter Gateways deutlich von den so genannten Smart Metern oder intelligenten Zählern unterscheiden, die im Fall der elektrischen Energie den Ferraris-Zähler ablösen werden und den Stromverbrauch digital aufzeichnen und verarbeiten können. Die Kombination von intelligenten Zählern und einem Smart Meter Gateway resultiert in einem Intelligenten Messsystem, das Informationen auch an externe Entitäten wie Energielieferanten oder Netzbetreiber versenden kann. Viele Smart Meter sind mit einer Infrarot-Schnittstelle via Smart Message Language beispielsweise über das Volkszähler-Projekt auslesbar. Neuere Geräte verfügen über eine standardisierte M-Bus-Schnittstelle zur digitalen Datenübertragung zwischen Zähler und z.B. dem Smart Meter Gateway. Grundsätzlich soll die Standardisierung den Kunden das Auslesen erleichtern, damit sie einen besseren Einblick in ihr Energienutzungsverhalten erhalten und Einsparmöglichkeiten erkennen können. Gesetzlich ist sogar vorgeschrieben, dass die Nutzer eines intelligenten Zählers neben dem aktuellen Verbrauchswert sogar einen Einblick bis zwei Jahre in die Vergangenheit erhalten müssen. Bis zum Jahre 2032 sollen nach dem Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende alle Haushalte in Deutschland mit mindestens intelligenten Zählern ausgestattet sein, und je nach Haushaltsgröße auch mit Smart Meter Gateways, die die Kommunikation nach extern ermöglichen. Die Basis des Gesetzes ist das dritte Energiepaket der EU von 2009, die den Mitgliedstaaten vorgab eine Smart-Metering-Infrastruktur einzurichten, wenn eine Kosten-Nutzen-Analyse dieses für sinnvoll erachtet. Daher wurde 2013 eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt mit dem Ergebnis, dass ein Teil-Rollout für Deutschland sinnvoll ist. So sollen zwar alle Nutzer intelligente Zähler erhalten, jedoch sind die Gateways nur für größere, sog. netzrelevante, Nutzer vorgeschrieben. Die betrachtete Nutzungsgröße kann sich mit größerer Elektromobilität jedoch stark ändern: Mit einem Elektroauto kann der Verbrauch eines kleinen Haushalts sich vervielfachen und auch die dezentrale Stromerzeugung beispielsweise durch Photovoltaik wird einbezogen. Mit der Energiewende hat sich die Belastung der Stromnetze stark geändert. Die bisher auf zentrale Versorgung ausgelegte hierarchische Netztopologie kann durch dezentrale Stromerzeugung stark belastet werden. Zur Entlastung der Netze wurden Betreiber von PV-Anlagen verpflichtet, die Einspeisung zu beschränken, entweder fest auf 70 Prozent der Maximalleistung oder über ein Einspeisemanagement gesteuert über Rundsteuertechnik. Das Smart Meter Gateway arbeitet auf drei Netzbereichen und soll eine sichere Kommunikation zwischen diesen ermöglichen. So gibt es das dem Internet bzw. Wide Area Network zur Kommunikation mit beispielsweise dem Stromanbieter, das Home Area Network für Anwendungen im eigenen Haus und das Local Metrological Network welches die eigentlichen Strom-, Wärme, Gas- und Wasserzähler beinhaltet. Im Home Area Network könnten künftig beispielsweise Geräte wie das Nest Thermostat angeschlossen werden. Dieses kann in den USA heute schon beispielsweise Wärmepumpen oder Klimaanlagen sowohl nach Nutzeranforderung und Netzanforderungen optimiert ansteuern. Dabei werden das Haus oder der Warmwasserspeicher, also bereits vorhandene thermische Energiespeicher, zur Lastverschiebung im "intelligenten" Stromnetz ausgenutzt. Das Konzept dazu ist nicht neu, seit längerer Zeit gibt es bereits den Niederstromtarif, der im Gegensatz zum Hochtarif preiswerter ist und zu Zeiten geringer Netzauslastung zur Verfügung steht. Diese Tarife werden auch heute teilweise noch mit Nachtspeicherheizungen genutzt. Auf Grund energetischer Ineffizienz wurden Speicherheizungen bereits verboten, heute erleben sie aber wieder eine gewisse Renaissance, da sie zur Pufferung überschüssiger Energie herangezogen werden können. Mit der ermöglichten Kommunikation über verschiedene Netzwerkbereiche und der Steuerbarkeit von außen steigen auch die Sicherheitsanforderungen an ein solches System. Daher sind Smart Meter Gateways in Deutschland in eine Public Key Infrastruktur eingebunden, um einen Missbrauch nach Stand der Technik zu unterbinden. Eine sehr wichtige Rolle wird hier dem Smart Meter Gateway Administrator zugeteilt, der durch digitale Zertifikate die Grundlage für die Authentifizierung der verschiedenen Kommunikationspartner setzt. Die innere Sicherheit des Smart Meter Gateway wird durch ein vom BSI zertifiziertes Sic

This is one of two conversations which Gudrun Thäter recorded alongside the conference Women in PDEs which took place at our faculty in Karlsruhe on 27-28 April 2017. Marie Elisabeth Rognes was one of the seven invited speakers. Marie is Chief Research Scientist at the Norwegian research laboratory Simula near Oslo. She is Head of department for Biomedical Computing there. Marie got her university education with a focus on Applied Mathematics, Mechanics and Numerical Physics as well as her PhD in Applied mathematics at the Centre for Mathematics for Applications in the Department of Mathematics at the University of Oslo. Her work is devoted to providing robust methods to solve Partial Differential Equations (PDEs) for diverse applications. On the one hand this means that from the mathematical side she works on numerical analysis, optimal control, robust Finite Element software as well as Uncertainty quantification while on the other hand she is very much interested in the modeling with the help of PDEs and in particular Mathematical models of physiological processes. These models are useful to answer What if type-questions much more easily than with the help of laboratory experiments. In our conversation we discussed one of the many applications - Cerebral fluid flow, i.e. fluid flow in the context of the human brain. Medical doctors and biologists know that the soft matter cells of the human brain are filled with fluid. Also the space between the cells contains the water-like cerebrospinal fluid. It provides a bath for human brain. The brain expands and contracts with each heartbeat and appoximately 1 ml of fluid is interchanged between brain and spinal area. What the specialists do not know is: Is there a circulation of fluid? This is especially interesting since there is no traditional lymphatic system to transport away the biological waste of the brain (this process is at work everywhere else in our body). So how does the brain get rid of its litter? There are several hyotheses: Diffusion processes, Fast flow (and transport) along the space near blood vessel, Convection. The aim of Marie's work is to numerically test these (and other) hypotheses. Basic testing starts on very idalised geometries. For the overall picture one useful simplified geometry is the annulus i.e. a region bounded by two concentric circles. For the microlevel-look a small cube can be the chosen geometry. As material law the flow in a porous medium which is based on Darcy flow is the starting point - maybe taking into account the coupling with an elastic behaviour on the boundary. The difficult non-mathematical questions which have to be answered are: How to use clinical data for estabilishing and testing models How to prescribe the forces In the near future she hopes to better understand the multiscale character of the processes. Here especially for embedding 1d- into 3d-geometry there is almost no theory available. For the project Marie has been awarded a FRIPRO Young Research Talents Grant of the Research Council of Norway (3 years - starting April 2016) and the very prestegious ERC Starting Grant (5 years starting - 2017). References M.E. Rognes: Mathematics that cures us.TEDxOslo 3 May 2017 Young academy of Norway ERC Starting Grant: Mathematical and computational foundations for modeling cerebral fluid flow 5 years P.E. Farrell e.a.: Dolfin adjoint (Open source software project) FEniCS computing platform for PDEs (Open source software project) Wikipedia on FEniCS Collection of relevant literature implemented in FEniCS

This is one of two conversations which Gudrun Thäter recorded alongside the conference Women in PDEs which took place at our Department in Karlsruhe on 27-28 April 2017. Maria Lopez-Fernandez from the University La Sapienza in Rome was one of the seven invited speakers. She got her university degree at the University of Valladolid in Spain and worked as an academic researcher in Madrid and at the University of Zürich. Her field of research is numerical analyis and in particular the robust and efficient approximation of convolutions. The conversation is mainly focussed on its applications to wave scattering problems. The important questions for the numerical tools are: Consistency, stability and convergence analysis. The methods proposed by Maria are Convolution Quadrature type methods for the time discretization coupled with the boundary integral methods for the spatial discretization. Convolution Quadrature methods are based on Laplace transformation and numerical integration. They were initially mostly developed for parabolic problems and are now adapted to serve in the context of (hyperbolic) wave equations. Convolution quadrature methods introduce artificial dissipation in the computation, which stabilzes the numerics. However it would be physically more meaningful to work instead with schemes which conserve mass. She is mainly interested in fast algorithms with reduced memory requirements and adaptivity in time and space. The motivational example for her talk was the observation of severe acoustic problems inside a new building at the University of Zürich. Any conversation in the atrium made a lot of noise and if someone was speaking loud it was hard to understand by the others. An improvement was provided by specialised engineers who installed absorbing panels. From the mathematical point of view this is an nice application of the modelling and numerics of wave scattering problems. Of course, it would make a lot of sense to simulate the acoustic situation for such spaces before building them - if stable fast software for the distribution of acoustic pressure or the transport of signals was available. The mathematical challenges are high computational costs, high storage requirements and and stability problems. Due to the nonlocal nature of the equations it is also really hard to make the calculations in parallel to run faster. In addition time-adaptive methods for these types of problems were missing completely in the mathematical literature. In creating them one has to control the numerical errors with the help of a priori and a posteriori estimates which due to Maria's and others work during the last years is in principle known now but still very complicated. Also one easily runs into stability problems when changing the time step size. The acoustic pressure distribution for the new building in Zürich has been sucessfully simulated by co-workers in Zürich and Graz by using these results together with knowledge about the sound-source and deriving heuristic measures from that in order to find a sequence of time steps which keeps the problem stable and adapt to the computations effectively. There is a lot of hope to improve the performance of these tools by representing the required boundary element matrices by approximations with much sparser matrices. References M. López Fernández, S. Sauter: Generalized Convolution Quadrature with Variable Time Stepping. Part II: Algorithm and Numerical Results. Applied Numerical Mathematics, 94, pp. 88 - 105 (2015) M. López Fernández, S. Sauter: Generalized Convolution Quadrature based on Runge-Kutta Methods. Numerische Mathematik, 133 (4), pp. 734 - 779 (2016) S. Sauter, M. Schanz: Convolution Quadrature for the Wave Equation with Impedance Boundary Conditions. Journal of Computational Physics, Vol 334, pp. 442 - 459 (2017) Podcasts T. Arens: Lärmschutz, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 16, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014. F. Sayas: Acoustic Scattering, Conversation with G. Thäter in the Modellansatz Podcast, Episode 58, Department of Mathematics, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2016.

Die Arbeit von Staffan Ronnas in der Münchner Firma Brainlab befasst sich mit der Anwendung von Augmented Reality (AR) in der Chirurgie - vor allem in der Neurochirurgie. Ziel ist es, virtuelle, präoperativen Daten mit der "Realität" in Form von live Video auf dem chirurgischen Mikroskop so zu verblenden, dass der Chirurg vor und während der OP einen Nutzen davon hat. Staffan stammt aus Schweden und hat in Karlsruhe in Mathematik in der Arbeitsgruppe promoviert in der auch Gudrun Thäter und Sebastian Ritterbusch tätig waren. Nach seiner Verteidigung 2012 hat er einige Zeit als Postdoc in Karlsruhe und Heidelberg gearbeitet, bevor er zur Firma COMSOL in Stockholm ging. Seit September 2015 wohnt er in München und bringt seine Fähigkeiten als Softwareingenieur bei Brainlab ein. Welche Rolle spielt denn AR zur Zeit in der Chirurgie? Digitale Daten sind schon weit verbreitet in der Medizintechnik und insbesondere in der Chirurgie. Dabei handelt es sich z.B. um CT- oder MR-Bilder, aus denen man virtuelle Objekte durch Segmentierung gewinnen kann. Diese Daten können vor oder während der Behandlung (prä-/intraoperativ) entstehen und werden zur Planung der OP oder zur Navigation während des Eingriffs verwendet. Zum größten Teil werden sie klassisch auf Bildschirmen dargestellt und zur Interaktion dienen eine Maus oder ein Touchscreen oder auch Instrumente, die über Infrarotkameras getracked werden. Speziell in der Neurochirurgie kommen große Mikroskope zum Einsatz, die auch Video aufnehmen können. Das Ziel von Staffans Arbeit ist dabei präoperative virtuelle Daten mit Videodaten zu verblenden um eine erweiterte Darstellung zu zeigen, mit der der Chirurg während der OP navigieren kann. Zu dieser Zweck werden nützliche Informationen wie die aktuelle Position, das Zielobjekt und dazwischen liegende Strukturen im Video dargestellt. Um ein solches System umsetzen zu können, werden Methoden aus vielen verschiedenen Bereichen der angewandten Mathematik benötigt, wie z.B. Bildbehandlung, geometrische Modellierung, 3D Grafik und Computer Vision. Themen wie maschinelles Lernen und Robotik spielen auch eine zunehmend wichtige Rolle. Eine grundlegende Fragestellung mit der sich Staffan viel beschäftigt hat, ist die Modellierung der Optik chirurgischer Mikroskope mit variablem Fokus und Zoom. Ein genaues Modell wird benötigt, um die Lage und Größe der virtuellen Daten bei der Verblendung mit dem Videobild bestimmen zu können. Als grundlegendes Kameramodell dient das Pinholemodell, d.h. eine perspektivische Projektion von Punkten gemessen in einem 3D Koordinatensystem auf die planare Bildebene. Extrinsische Parameter sind dabei die Lage und Orientierung der Kamera im Raum (die Richtung der "optische Achse"). Die intrinsischen Parameter sind abhängig von der Optik z.B. die Brennweite (Skalierung von mm auf pixel-Maß) und verschiedene Arten von Verzerrung. Die Parameter des nichtlinearen Kameramodells werden bestimmt durch Minimierung der Reprojektionsfehler in Aufnahmen von einer bekannten Geometrie. Typischerweise wird der Levenberg-Marquardt Algorithmus benutzt um das Optimierungsproblem zu lösen. Es gibt aber mehrere Schwierigkeiten: Der Modell ist nicht konvex wodurch lokale Minima möglich sind; Die Berechnung der Parameter wird vom Messfehler beeinflusst; Die begrenzte Schärfentiefe und großer Arbeitsabstand erschweren die Messungen; Als Lösung bietet es sich an ein einfacheres Modell zu verwenden und dadurch zu vermeiden, dass redundante Parameter geändert werden. Allerdings muss man darauf achten, dass das Ergebnis immer noch ausreichend Genauigkeit bietet. Literatur und weiterführende Informationen Z. Yaniv, C. A. Linte: Applications of Augmented Reality in the Operating Room (Preprint), in Fundamentals of Wearable Computers and Augmented Reality, Second Edition, ch. 19, CRC Press, 2015. I. Cabrilo, P. Bijlenga, K. Schaller: Augmented reality in the surgery of cerebral aneurysms: a technical report, Operative Neurosurgery, 10.2: 252-261, 2014. Z. Zhang: A Flexible New Technique for Camera Calibration, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 22, pp. 1330–1334, 2000. Übersicht Brainlab Mikroskopintegration Podcasts Y. Liang: Bewegte Computertomographie, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 6, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2013. I. Waltschläger: Windsimulation, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 14, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014. D. Breitenbach, U. Gebhardt, S. Gaedtke: Raketen, CT-MRT-PET-etc, Widerstände, Proton Podcast, Folge 17, 2017. F. Rau: Augmented Reality Gaming, Gespräch mit T. Nowak im Kulturkapital Podcast, Folge 28, 2017.

Diese Folge ist eines von drei Gesprächen mit Mathematikerinnen und Mathematikern an der TU München in Garching bei München, die Gudrun am 10. April 2017 dort geführt hat. Christina Kuttler enwickelt und untersucht mathematische Modelle, die helfen, Bakterien-Kommunikation besser zu verstehen. Ausgangspunkt des Forschungsthemas war die Beobachtung, dass bestimmte Meeresbakterien (nämlich Aliivibrio fischeri) im Leuchtorgan des Tintenfisches Euprymna scolopes Licht aussenden können, sobald genug von ihnen vorhanden sind. Natürlich stellte sich die Frage: Wie stellen sie fest, dass sich leuchten lohnt, d.h. dass genug Bakterien ihrer Art versammelt sind? Biologie musste also durch gezielte Experimente und allgemeine Beobachtungen klären: Was und wie kommunizieren diese und andere Bakterien? Die typischen Antwort im Umfeld der Arbeitsgruppe von Christina Kuttler sind: Bakterien eruieren über chemische Signalstoffe, die in den Zellen produziert und ausgetauscht werden, ob in örtlicher Nähe noch mehr Bakterien ihrer Art vorhanden sind und in welcher Konzentration. Dafür haben sie Rezeptoren in den Zellen, die die Signalstoffkonzentration messen. Auf die gleiche Weise können sich auch bestimmte Krankheitserreger zunächst vermehren ohne den Wirt anzugreifen. Erst wenn eine gewisse Schwelle überschritten wird, ändern sie ihr Verhalten und beginnen ihre Wirkung zu entfalten. Die Änderung des Verhaltens unter den Bedingungen "ich bin fast allein" bzw. "wir sind viele" erfolgt über Genregulationssysteme, d.h. konkrete Informationen auf den Genen werden aktiviert oder ausgeschaltet - je nachdem welche Signalstoffkonzentration gemessen wird. In diese Prozesse kann man durch Marker in experimentellen Untersuchungen eingreifen und dadurch auch messen. Die dabei gewonnenen Daten werden in Modelle gegossen, die so komplex sind, dass man sich dafür Mathematiker und Mathematikerinnen ins Team holt. Meist werden große Systeme von Differentialgleichungen aufgestellt und durch Untersuchung der Lösungseigenschaften der Gleichungen kann man überprüfen, welche Experimente noch weiter Aufschluss darüber geben können, ob das System ein gutes Modell für das Verhalten der Bakterien ist. Hierzu sind einerseits qualitative Untersuchungen der Gleichungen hilfreich, die z.B. Bereiche finden, in denen bestimmte Werte steigen oder fallen (und wie schnell, d.h. in welcher Ordnung) oder wo Stabilitätseigenschaften vorliegen. Es kommt dabei z.B. vor, dass Stabilitätsbereiche mathematisch detektiert werden, die erst später durch Experimente nachgestellt und dadurch verifiziert werden. Andererseits erfolgt eine quantitative Untersuchung, d.h. die Systeme von Differentialgleichungen werden numerisch (näherungsweise) gelöst. Es ist möglich auf diese Weise auch für verschiedene dem Prozess inhärente Zeitskalen die Modelle zu simulieren, denn dafür stehen gute und gut verstandene numerische Verfahren zur Verfügung. Beide Zugänge führen zu Ergebnissen, die als gemeinsame Erfolge von Mathematik und Biologie veröffentlicht werden. Im Wesentlichen konzentrieren sich die Forschergruppen darauf, Prinzipien zu verstehen, die hinter der beobachteten Bakterien-Kommunikation stehen. In der bisherigen Arbeit und in naher Zukunft werden noch kaum stochastische Effekte in Modellen berücksichtigt und in der Regel sind nur gemittelte Werte im Modell dargestellt. Im Moment wird der Zugang auf die Untersuchung von Bakteriophagen ausgedehnt und könnte dazu führen, dass man Alternativen zu klassischen Antibiotika entwickeln kann. Prof. Christina Kuttler hat seit 2008 die Professur für Mathematik in den Lebenswissenschaften an der TUM inne. Sie hat in Tübingen Mathematik, Physik & Informatik studiert und dort auch promoviert. Sie wechselte 2004 nach München - zunächst als Postdoc im Institut für Biomathematik und Biometrie am dortigen Helmholtzzentrum. Literatur und weiterführende Informationen B.A. Hense, C. Kuttler e.a.: Efficiency Sensing - was messen Autoinduktoren wirklich? Biospektrum 01.08 (18-21), 2008. Stephen J. Hagen (Ed.): The Physical Basis of Bacterial Quorum Communication, Springer Verlag, 2015. P. Kumberger, C. Kuttler, P. Czuppon, B.A. Hense: Multiple regulation mechanisms of bacterial quorum sensing, Biomath 5, 1607291 (open access), 2016. L. Tetsch: Tintenfisch mit Taschenlampe, Spektrum Magazin, 2016. Podcasts L. Adlung: Systembiologie, Gespräch mit G. Thäter und S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 39, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014. K. Leinweber, M. von Toor: Betreutes Überleben, KonScience Podcast, Folge 30, 2015.

Der March for Science am 22. April 2017 hat auch in Deutschland ein großes Echo gefunden. Es gab Veranstaltungen in Berlin, Bonn, Dresden, Frankfurt/Main, Freiburg/i.Br., Göttingen, Greifswald, Hamburg, Heidelberg, Helgoland, Jena, Kassel, Koblenz, Leipzig, München, Rostock, Stuttgart, Trier und Tübingen mit schließlich über 37.000 Teilnehmern. Unter dem Eindruck der Vorbereitungen auf den 22. April haben sich Gudrun Thäter und Annette Leßmöllmann zum Gespräch getroffen. Sie teilen das Interesse an den Fragen: Welche Rolle hat Wissenschaft in unserer Gesellschaft? Welche Rolle sollte sie haben? Wie nimmt Wissenschaftskommunikation darauf Einfluß? Dabei haben sie unterschiedliche Rollen und Erfahrungen, die im Gespräch zu einer persönlichen Einschätzung des Status quo und der Wünsche für die Zukunft zusammengeführt werden. Annette Leßmöllmann leitet die Abteilung Wissenschaftskommunikation im Institut für Germanistik des KIT, das heißt sie forscht und lehrt im Bereich Wissenschaftskommunikation. Ihr Interesse lässt sich kurz fassen als: Was nehmen die Konsumenten wissenschaftlicher Botschaften für ihren Alltag mit? Drei Gedanken stehen am Anfang des Gespräches: Die Rolle von Wissenschaft ist auch eine ökonomische Frage: Wer stellt Geld für Wissenschaft bereit und mit welchen Zielen? Was ist wissenschaftliches Erkennen und was ist ihr Vorteil als Sicht der Welt? Demokratie und Pressefreiheit sind nicht selbstverständlich. Tatsächlich wird die Arbeit mit Studierenden immer politischer, was sich erst kürzlich am großen Interesse am Vortrag von Michael Blume zum Themenfeld "Wahrheit" zeigte. Am Beispiel der Mathematik zeigen sich konträre Eintwicklungen. Einerseits durchlaufen alle in Deutschland eine mathematische Schulbildung von 10-13 Jahren und setzen das häufig in Ausbildung oder Studium fort. Gesellschaftlich akzeptiert ist jedoch die Aussage: "Das brauche ich später sowieso nicht..." Was noch nie zutreffend war, aber mit der aktuellen Entwicklung in Alltag und Technik immer unwahrer wird, denn fast jede/r muss mit Wahrscheinlichkeiten hantieren und Daten deuten, Kausalität von Korrelation unterscheiden, Entscheidungen beurteilen oder treffen, die auf Computer-Simulationen beruhen. Man bräuchte dafür auch psychologische Forschung, z.B. um den Umgang von Menschen mit Risikobotschaften besser zu verstehen. Denn wir treffen häufig sehr wichtige Entscheidungen unter Zeitdruck und mit nur teilweise zugänglichen Informationen. Dem trägt inzwischen auch ein von der DFG finanziertes Schwerpunktprogramm Rationalität Rechnung. Durchdringung der Berufswelt mit Hochtechnologie und Computern führt zu Monitorrückseitenberatung bei Banken/Reisebüros etc. inkl. dem Effekt "the computer says no". Damit wird Erfahrungs- und IInsiderwissen der klassischen Berufsausbildung in Deutschland entwertet. Anweisungen von Spezialisten sind schwerer durchschaubar für untergebene. Dies führt zu latenten Vorbehalten gegen gebildete Leute ("die wissen ja nichts sondern sind nur eingebildet") und einer gefühlten Benachteiligung. Gleichzeitig erfolgt eine versteckte Umverteilung des Vermögens von unten nach oben und damit eine echte Benachteiligung der Mehrheit. Technische und soziale Kompetenz greifen zusammen in der Nutzung moderner Medien. Es ändern sich auch die Formen von Gesprächen hierdurch. Wissenschaftskommunikation muss man deshalb auch auf die Art der Kommunikation der jungen Leute abstimmen.Man könnte diese Entwicklung doch auch dazu nutzen, um Beratung zu verbessern! Dazu bräuchten Mitarbeiter aber auch Spielraum und eine andere kommunikative Ausbildung. Es ändert auch die Arbeit im Journalismus, denn Nachrichten sind inzwischen überall verfügbar, aber das Einordnen und Wichten wird zum eigentlichen Spezialwissen. Eine wichtige Rolle kommt Modellen zu. Sie ermöglichen die Einordnung der Geschehnisse in der Welt in einen persönlichen Zusammenhang, d.h. genügend vereinfacht, um sie mit Sinn zu füllen und darüber kommunizieren zu können. Die Schulbildung müsste dem Rechnung tragen, ist aber strukturell unterfinanziert und als Beruf und Berufung ist das Lehramt nicht genug wert geschätzt. Auch Universitäten werden immer abhängiger von Geldgebern mit bestimmten eng gesteckten Zielen. Wenn offensichtliche Lügen wenig bis gar keine Konsequenzen haben, greift das die Position von rational begründeten Entscheidungen - also auch eine im Kern von wissenschaftlichen Erkenntnissen getragener Weltaneignung - an der Wurzel an. Als Wissenschaftlerinnen können wir das nur schwer ertragen. Was sind aber Fakten? In der wissenschaftlichen Auseinandersetzung geht es dabei stets um Interpretation von Daten und unterschiedliche Formen von Gewissheit. Was davon ist diskutabel oder überhaupt öffentlich diskutierbar? Als Menschen in der Forschung müssten wir außerhalb unserer Arbeitswelt offensiv für wissenschaftliche Kriterien werben. Wir müssen verstehen, wieso Leute Kraftposen so bewundernswert finden und rationale Diskussionen als "Liberales Getue"

Diese Folge ist eines von drei Gesprächen mit Mathematikerinnen und Mathematikern an der TU München (TUM) in Garching bei München, die Gudrun am 10. April 2017 dort geführt hat. Paul Stursberg - hat an der TUM Mathematik studiert und promoviert dort am Lehrstuhl Angewandte Geometrie und Diskrete Mathematik. Wir haben uns über Gruppenentscheidungsmodelle (Social Choice) unterhalten, in denen mitunter auch der Zufall Hilfestellung gibt. Da auch Zuordnung nach Vorlieben (allocation) auf das gleiche Grundproblem führt, wird das Thema unter den Forschungsinteressen von Paul Stursberg als Randomized Social Choice/Ressource Allocation aufgeführt.Das grundlegende Ziel bei Entscheidungen in einer Gruppe ist es, Einzelmeinungen zu einem fairen Gesamturteil zusammen zu führen. Am einfachsten ist es, einer als Anführer von allen anerkannten Person in ihrer Meinung zu folgen. Dieses Modell hat gute mathematische Eigenschaften, funktioniert immer, ist aber leider nicht besonders demokratisch. Je nachdem ob die Leitperson zur Gruppe gehört oder nicht wird es als Modell des internen/externen Diktators bezeichnet. Ein zunächst nahe liegender Zugang zur bestmöglichen Entscheidung in einer Gruppe wäre, eine Nutzenfunktion auzufstellen und danach zu optimieren. Das klingt überzeugend ist aber oft ein unmögliches Unterfangen, weil es sich als sehr schwierig erweist, Vorlieben so zu quantifizieren dass man über die Gruppe konstante Zahlenwerte für einen entstehenden Nutzen findet. Deshalb kann man statt dessen mit ordinalen Präferenzrelationen arbeiten, d.h. im einfachsten Fall mit einer gewünschten Reihenfolge aller Optionen für jede Person der Gruppe. Bevor man über Verfahren sprechen und diese bewerten kann, braucht man Kriterien, die Wahlverfahren (idealerweise) erfüllen sollen. Man muss definieren: Was ist eine gute und faire Entscheidung? Ein grundlegendes Kriterium wäre beispielsweise: Wenn alle der gleichen Meinung sind, sollte diese Meinung auch immer als Ergebnis der Gruppenentscheidung erscheinen. Ein etwas weitergehendes Kriterum könnte exemplarisch auch verlangen, dass das Ergebnis Pareto-optimal ist, es also kein anderes Ergebnis gibt, mit dem jedes Gruppenmitglied zufriedener wäre.Nachdem ein Katalog von Kriterien aufgestellt wurde, kann man sich unter anderem folgende Fragen stellen: Finden wir Wahlverfahren, die all diese Kriterien erfüllen? Wenn ja, welche Wahlverfahren sind das? Können wir sie charakterisieren? Wenn nein, lässt sich zeigen, dass kein Wahlverfahen alle Kriterien zugleich erfüllen kann?Ein bekanntes Beispiel für den letzten Fall ist der Satz von Arrow - ein Unmöglichkeitsresultat, das besagt, dass eigentlich sinnvolle Bedingungen an ein Wahlergebnis für mehr als zwei Optionen nicht gleichzeitig erfüllbar sind.Hinsichtlich der Fairness kommen Wahlverfahren intuitiv schon an ihre Grenzen, wenn sich zwei Leuten abstimmen sollen, die gegensätzliche Wünsche haben: Jede (deterministische) Entscheidung bevorzugt offensichtlich einen der beiden Beteiligten. Hier kann man sich den Zufall zunutze machen, um eine faire Entscheidung zu treffen, was auf das Gebiet der randomisierten Sozialwahltheorie (randomized social choice) führt. Hier hängen viele Kriterien plötzlich davon ab, welche lottery extension verwendet wird, also wie aus ordinalen Präferenzrelationen Präferenzen über Wahrscheinlichkeitsverteilungen abgeleitet werden. Literatur und weiterführende Informationen H.-J. Bungartz e.a.: Modellbildung und Simulation - Eine anwendungsorientierte Einführung Kapitel 4: Gruppenentscheidungen, Springer, 2009. G.G. Szpiro: Die verflixte Mathematik der Demokratie, Springer, 2011. W. J. Cho: Probabilistic assignment: A two-fold axiomatic approach, 2012. H. Aziz, F. Brandt, and M. Brill: On the tradeoff between economic efficiency and strategyproofness in randomized social choice In Proceedings of the 12th International Conference on Autonomous Agents and Multi-Agent Systems (AAMAS), pp 455–462. IFAAMAS, 2013. H. Aziz, P. Stursberg: A generalization of probabilistic serial to randomized social choice. In Proceedings of the Twenty-Eighth AAAI Conference on Artificial Intelligence (AAAI-14), pp 559-565. AAAI Press, Palo Alto, 2014. Podcasts M. Lübbecke: Operations Research, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 110, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. P. Staudt: Wahlsysteme, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 27, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014. M. Fehndrich: Wahlrecht und Wahlsysteme, Gespräch mit T. Pritlove im CRE Podcast, Folge 128, Metaebene Personal Media, 2009.

Mit Teresa Beck setzt Gudrun das 2014 mit Tobias Hahn geführte Gespräch fort. Die Software ChromX zur Computersimulation von Chromatographie-Säulen ist inzwischen Teil des Portfolios einer Ausgründung aus dem KIT mit dem Namen GoSilico. Neben Thiemo Huuk, der gleichzeitig mit Tobias Hahn im Rahmen seiner biotechnologischen Promotion die Kundenbedürfnisse für Chromatographie-Simulationen erforscht hat, und Tobias Hahn ist Teresa als dritte im Team Gründerin der im Januar 2016 an den Start gegangenen GmbH. Tobias ist Diplom-Mathematiker. 2010-2015 modellierte er im Rahmen seiner Promotion Aufreinigungsprozesse mit modernen mathematischen Simulationswerkzeugen. Es erwies sich als sinnvoll, dafür schließlich ganz in die Bio-Verfahrenstechnik zu wechseln. Teresa Beck ist hingegen Diplom-Meteorologin, deren Faszination für die Modellierung der Wetterphänomene am Computer schließlich zu einer Promotion in Mathematik am EMCL (erst in Karlsruhe und dann in Heidelberg) führte. Einige Zeit haben Gudrun, Tobias und Teresa in der gleichen Gruppe am Institut für Angewandte und Numerische Mathematik am KIT gearbeitet, bevor sich die Wege wieder trennten. Der Kern des Programms ChromX ist eine parallelisierte Finite Elemente Simulationssoftware für die Advektions-Diffusions-Gleichungen in Aufreinigungsprozessen. Die Benutzer sind jedoch keine mathematischen Experten, sondern in der Regel Laborantinnen und Laboranten. Deshalb ist es genauso wichtig, eine funktionierende Simulation zu realisieren, wie eine grafische Oberfläche zu schaffen, die ganz intuitiv die Laborerfahrung nachbildet und dabei die Mathematik "versteckt". Schließlich sollen teure Experimente ersetzt werden und dafür muß die Bedienung den Personen im Labor leicht fallen und möglichst Freude machen. Alle eigentlich für die Mathematik wichtigen Parameter, die auf Parallelisierung, Wahl nichtlinearer Löser oder schlechte Kondition des Problemes Einfluß nehmen, muss das Programm eigenständig sinnvoll setzen, denn für den normalen Benutzer sind diese unverständlich. Dafür müssen Parameter-Konfigurationen, die für die Bedienung gesetzt werden, von vornherein sinnvoll eingeschränkt werden, um die Stabilität und Korrektheit der Simulation zu gewährleisten. Daneben gibt es jedoch auch eine Experten-Lösung, wo ein Parameterfile direkt übergeben werden kann. Es ist immer etwas ungewiß, wie erfolgreich Ideen aus der Forschung in ein florierendes Unternehmen übersetzt werden können. Für die Gründung von GoSilico war aber in der ganzen Entwicklungsphase schon die Industrie-Tauglichkeit mitgedacht und geeignete Partner mit am Tisch. Durch die Präsentation der Erfolge mit der Forschungssoftware auf Tagungen gab es auch schon vor der Ausgründung viel Interesse an einer zukünftigen Zusammenarbeit. Deshalb lagen zur Gründung viele Letters of intent vor. Wichtiger Teil des Alltages im Unternehmen ist es jetzt, die Software zu verkaufen. Es dauerte in den Verhandlungen bisher zwischen 70 und 250 Tage bis Firmen wirklich die Software erwarben. Meist folgte auf eine schnelle Zustimmung aus den Fachabteilungen (die aber (leider noch) keine Budgets für solche Software haben) die länger währende Abklärung aller rechtlichen Verpflichtungen auf beiden Seiten bevor die zuständigen übergeordneten Stellen das Geld für den Kauf freigaben. Das liegt auch daran, dass diese Art von Chromatographie-Simulation noch ganz neuartig ist und die Abläufe in den Unternehmen schießlich neu ordnen wird. Wichtig für eine vertrauensvolle Zusammenarbeit ist, dass das interne Wissen der Firmen (intellectual property) geschützt bleibt (z.B. gegenüber anderen Firmen, die die Software auch erwerben oder schon benutzen). Nach etwas mehr als einem Jahr sind aber schon sechs große Kunden aus den weltweiten Top 20 gewonnen worden. Das Ziel für 2017 lautet, noch zwei weitere zu gewinnen. Dafür stehen die Chancen gut. Gerade wächst das Team um mehrere Personen, damit die Weiterentwicklung, Dokumentation und Zertifizierungsverfahren (nach TÜV oder ISO) auf mehr Schultern verteilt werden können. Literatur und weiterführende Informationen ChromX: Simulation toolbox for liquid chromatography of proteins. GoSilico: Company for software and methods for computer-aided – in silico – bioprocess development Simone Schappert - KIT-Gründerschmiede Gründer des Monats Juli 2016. Teresa Beck, Tobias Hahn, Thiemo Huuk, Jürgen Hubbuch: In-Silico Process Development: Success Stories. Poster presented at: 29th International Symposium on Preparative and Process Chromatography; 07/2016; Philadelphia, Pennsylvania, USA, 2016. Tobias Hahn, Thiemo Huuk, Vincent Heuveline, Jürgen Hubbuch: Simulating and Optimizing Preparative Protein Chromatography with ChromX. Journal of Chemical Education 09/2015; 92:1497–1502. DOI:10.1021/ed500854a, 2015. Gang Wang, Till Briskot, Tobias Hahn, Pascal Baumann, Jürgen Hubbuch: Estimation of adsorption isotherm and mass transfer parameters in protein chromatography using artificial neural networks. Journal

Moritz Gruber hat an unserer Fakultät eine Doktorarbeit zu isoperimetrischen Problemstellungen verteidigt und spricht mit Gudrun Thäter über sein Forschungsgebiet. Ein sehr bekanntes Beispiel für ein solches Problem kommt schon in der klassische Mythologie (genauer in Vergils Aeneis) als Problem der Dido vor. Vergil berichtet, dass Dido als Flüchtling an Afrikas Küste landete und sich so viel Land erbat, wie sie mit der Haut eines Rindes umspannen kann. Was zunächst wie ein winziges Fleckchen Erde klingt, wurde jedoch durch einen Trick groß genug, um die Stadt Karthago darauf zu gründen: Dido schnitt die Tierhaut in eine lange Schnur. Das mathematische Problem, dass sich ihr anschließend stellte und das als Didos oder isoperimetrisches Problem bezeichnet wird ist nun: Welche Fläche mit einem Umfang gleich der vorgegebenen Schnurlänge umfasst den größten Flächeninhalt? Natürlich wird dieses Problem zunächst etwas idealisiert in der Euklidischen Ebene gestellt und nicht in der konkreten Landschaft Karthagos. Es ist ein schwieriges Problem, denn man kann nicht alle Möglichkeiten ausprobieren oder einfach die Fälle durchkategorisieren. Andererseits liegt die Vermutung sehr nahe, dass der Kreis die Lösung ist, denn man kann sich schnell überzeugen, dass Symmetrien ausgenutzt werden können, um die eingeschlossene Fläche zu maximieren. Der Kreis hat unendlich viele Symmetrieachsen und schöpft diese Konstruktion deshalb gut aus. Trotzdem war ein stringenter Beweis erst im 18. Jh. mit den bis dahin entwickelten Methoden der Analysis möglich. Unter anderem mussten Verallgemeinerungen des Ableitungsbegriffes verstanden worden sein, die auf dieses Optimierungsproblem passen. Moritz Gruber interessiert sich für Verallgemeinerungen von isoperimetrischen Problemen in metrischen Räume, die in der Regel keinen Ableitungsbegriff haben. Die einzige Struktur in diesen Räumen ist der Abstand. Eine Möglichkeit, hier Aussagen zu finden ist es, das Verhalten für große Längen zu untersuchen und das Wachstum von Flächen in Abhängigkeit vom Wachstum des Umfangs zu charakterisieren. Naheliegend ist eine Approximation durch umschriebene und einbeschriebene Quadrate als obere und untere Schranke für die Fläche, die tatsächlich umschlossen und nicht so einfach berechnet werden kann. Außerdem interessieren ihn Verallgemeinerung auf Lie-Gruppen. Sie sind gleichzeitig differenzierbare Mannigfaltigkeit und Gruppe. Die Gruppenverknüpfung und Inversenbildung ist kompatibel mit der glatten Struktur. Sogenannte nilpotente Lie-Gruppen sind den kommutativen (d.h. abelschen) Gruppen am nächsten und bieten ihm die Möglichkeit, dort Ergebnisse zu erhalten. Die Übertragung der isoperimetrischen Probleme und mathematischen Methoden in höhere Dimensionen ergibt sehr viel mehr Möglichkeiten. In der Regel sind hier sind die unteren Schranken das schwierigere Problem. Eine Möglichkeit ist der Satz von Stokes, weil er Maße auf dem Rand und im Inneren von Objekten vernküpfen kann. Literatur und weiterführende Informationen M.R. Bridson: The geometry of the word problem In Invitations to Geometry and Topology, ed. by M.R. Bridson & S.M. Salomon, Oxord Univ. Press 2002. L. Capogna, D. Danielli, S.C. Pauls & J.T. Tyson: An introduction to the Heisenberg group and the sub-Riemannian isoperimetric problem. Birkhäuser Progress in Math. 259, 2007. M. Gruber: Isoperimetry of nilpotent groups (Survey). Frontiers of Mathematics in China 11 2016 1239–1258. Schnupperkurs über metrische Geometrie Podcasts L. Schwachhöfer: Minimalflächen, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 118, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. P. Schwer: Metrische Geometrie, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 102, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.

Eva-Maria Walz und Kathrin Kadel studieren Mathematik und Verfahrenstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und trafen sich in einem Softwarepraktikum zu Strömungssimulationen von Mathias Krause und erhielten darauf die Chance auf ein Auslandspraktikum am City College of New York (CCNY) in den USA, von dem sie uns im Gespräch mit Gudrun Thäter erzählen. Die ersten Eindrücke waren überwältigend; auf der einen Seite Campusgebäude wie Kathedralen, auf der anderen Seite sehr viel Sicherheitspersonal und häufige Ausweiskontrollen. Nachdem die ersten organisatorischen Hürden überwunden waren, konnten sie sehr schnell in der Gruppe um Prof. Taehun Lee (Ph.D.) mitarbeiten. Ihr Thema war die Sedimentation von Partikeln einmal auf Basis von OpenFOAM und einmal auf Basis von OpenLB. Speziell ging es um die Modellierung von kreis- und kugelförmigen Partikeln und der Interaktion zweier Partikel und dem Vergleich von Ergebnissen und Performance. Die beiden wurden während ihres Praktikums sowohl von der Gruppe in New York als auch von der Gruppe in Karlsruhe weiter betreut und hatten die Gelegenheit an externen Workshops in New York teilzunehmen. Sehr spannend fanden die beiden auch den Einblick in die andere Lehr- und Lernkultur in den Vereinigten Staaten. Da das Praktikum in die Zeit der Präsidentschaftswahl 2016 fiel, war ihr Aufenthalt geprägt von rückschrittlichen Einstellungen zur Immigration, der geschlechtlichen Gleichberechtigung und Rolle der Bildung in der Gesellschaft. Neben den Reaktionen auf die Wahl in der Gesellschaft erlebten sie auch die Reaktionen der internationalen Forschungsgruppe, bei der sie zu Gast waren. Der Aufenthalt wäre ohne Baden-Württemberg-Stipendium nicht möglich gewesen und die Wohnungssuche ist in einer Stadt wie New York nur vor Ort möglich. Die Organisation für einen akademischen Aufenthalt sollte man auf jeden Fall mit viel zeitlichem Vorlauf einplanen. Die Chancen durch einen Auslandsaufenthalt sind aber immer den Aufwand für die Organisation wert.

Margarita An hat ihre Masterarbeit im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Dassault Systèms Deutschland (mit Sitz im Technologiepark in Karlsruhe) geschrieben. Sie hat Technomathematik mit dem technischen Nebenfach Maschinenbau studiert. Deshalb war sie daran interessiert für ihre Abschlußarbeit eine mathematische Fragestellung für eine möglichst konkretes Problem im Maschinenbau zu finden. Nun hat sie eine neue Optimierungsstrategie entwickelt und implementiert, die Eulersche Formoptimierung mit Topologieoptimierung kombiniert. Formoptimierung bedeutet, ein Modell in seiner Form so zu verändern, dass ein bestimmtes Zielfunktional - z.B. die Spannungsbilanz im Körper - minimal wird. De Facto bedeutet das, dass die Oberfläche des Körpers bzw. sein Rand im Optimierungsprozess verändert wird. Eulersch heißt hierbei, dass die Geometrie des Randes mit Hilfe von Kontrollpunkten auf einem festen Netz definiert wird, während sich in der Lagrange-Formulierung das Netz während des Optimierungsprozesses verändert. Letzteres führt jedoch zu einer Abhängigkeit aller Algorithmen und Rechnungen von den Rechengitterknotenkoordinaten. Hierfür dienen insbesondere regelmäßige Finite Elemente (kurz FE) Netze aus Quadraten bzw. Würfeln als Rechengitter. Die Kontrollpunkte sind dann die Designvariablen. Die Idee ist es, die Beschreibung des Randes vom FE-Netz zu trennen, d.h. die Oberfläche kann sich durch das Rechengitter "bewegen", ohne es zu beachten. Anstatt im Rechengitter Knoten mit dem Rand zu verändern, wird in dem betroffenen Teilgebiet des Modells ein Pseudodichtefeld wie von Topologieoptimierung bekannt, bestimmt. Dementsprechend kann die topologische Sensitivität mit einem Topologieoptimierungs-Werkzeug (z.B. Tosca Structure oder anderer CAD-Software) berechnet werden. Entscheidend dafür dass das gut funktioniert ist, dass die Abbildungsfunktion, welche topologische Sensitivität in Formoptimierungs-Sensitivität transformieren kann, linear ist. Falls sich während des Optimierungsprozesses die FE-Netze ändern dürfen, vereinfacht das die Optimierung erheblich - vor allem die Sensitivitäts-Analyse. Auf der anderen Seite, ist die Beschreibung der Geometrie in Bezug auf die Randkurven oder Oberflächen natürlich etwas komplizierter. Wie die in der Arbeit vorgestellten Beispiele zeigen, ermöglicht der modifizierte Ansatz für Eulersche Formoptimierung jedoch durchaus optimale Lösungen ohne Gitter-Verformungen. Es gibt sogar ein recht einfaches Beispiel dafür, dass der Lagrange-Ansatz versagt, während der Eulersche Ansatz schnell die gewünschte Lösung findet. Literatur und weiterführende Informationen K. Bandara, T. Rüberg & F. Cirak Shape: Optimisation with Multiresolution Subdivision Surfaces and Immersed Finite Elements Computer, Methods in Applied Mechanics and Engineering 300, 510-539, 2016. N.H. Kim & Y. Chang: Eulerian Shape Design Sensitivity Analysis and Optimization with a Fixed Grid Computer Method in Applied Mechanics and Engineering 194, 3291-3314, 2005. Kimmich: Strukturoptimierung und Sensibilitätsanalyse mit finiten Elementen Berich Nr. 12, Institut für Baustatik der Universität Stuttgart, 1990. Podcasts P. Allinger und N. Stockelkamp: Strukturoptimierung, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 053, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015.

Mathias Zeleny hat sich im Rahmen seiner Masterarbeit damit beschäftigt, wie man in Fußgängersimulationen berücksichtigen kann, dass Menschen oft in Gruppen unterwegs sind. Natürlich wäre für realistische Simulationsergebnisse die Berücksichtigung von Gruppen sehr wichtig. Besonders deutlich wird das an so katastrophalen Ereignissen wie den Unglücksfällen im Rahmen des Haddsch in Mekka. Allerdings gibt es bisher kein allgemain akzeptiertes Modell für Gruppen in Fußgängersimulationen. Was ist die Hauptcharakteristik des Verhaltens einer Fußgängergruppe? Dass die Personen in der Regel nah beieinander bleiben. Allerdings ist dies sehr vage und wird beispielsweise an Hindernissen auch durchbrochen. Das "nah beieinander bleiben" läßt sich durch anziehende Kräfte modellhaft darstellen. Mathias betrachtete hierfür drei Modelle: Jede/r zieht jede/n an, alle folgen einer Person, Nachzügler schließen auf. Um mit diese Modelle zu testen, hat Mathias ein Interface programmiert, in dem diese Gruppenmodelle für verschiedene Szenarien durchgespielt wurden. Die gewählten Geometrien waren dabei: Von links nach rechts ungehindert einen Korridor entlang laufen, Korridor entlang laufen mit Hindernis, Korridor entlang laufen mit Gegenverkehr. Die Reaktion auf die Anziehungskräfte der Gruppe und des Ziels und die Abstoßung der Wände und Hindernisse liefert die Trajektorien für alle Fußgänger, die automatisch bewertet werden, ob sie mit der Realität mehr oder weniger gut übereinstimmen. Dafür musste er möglichst objektive Regeln aufstellen und diese dann überprüfen. Prototypisch wurden von ihm folgende Kriterien ausgewählt: Zeitbedarf für die Gruppe, räumliche Nähe der Gruppe über möglichst lange Zeit, Simulation läuft einwandfrei durch (also niemand läuft in eine Wand), Personen kommen sich nicht zu nah (so dass sie sich durchdringen müssten), es gibt keine Vollblockade. Die zugehörigen Bewertungsfunktionen wurden je auf Werte zwischen 0 und 1 normiert und anschließend entweder arithmetisch gemittelt oder für notwendige Bedingungen multipliziert. Die Ergebnisse erwiesen sich als noch nicht sehr aussagekräfitg. Als großes Problem stellte sich nämlich heraus, dass die Zeitdiskretisierung für die Gruppensimulationen unbedingt feiner gewählt werden muss als es in der herkömmlichen Fußgängersimulation üblich ist, da in nur einem Zeitschritt oft ein "in die Wand laufen" unausweichlich ist, wenn die Abstoßungskräfte zwischen Personen realistisch gewählt werden. Ein Gewinn ist darüber hinaus die formalisierte und objektifizierte Schnittstelle zur Evaluation von Gruppenmodellen, mit denen in Zukunft weiter in diesem Bereich geforscht werden kann. Literatur und weiterführende Informationen C. Burstedde e.a.: Simulation of pedestrian dynamics using a two-dimensional cellular automaton, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 295 3–4, 507–525, 2001. Independent: Hajj stampede: History of disasters a ecting annual Islamic event in Mecca, 2015. F. Qiu und X. Hu: Modeling group structures in pedestrian crowd simulation. In: Simulation Modelling Practice and Theory 18.2, S. 190–205, 2010. M. Moussaïd u. a.:The Walking Behaviour of Pedestrian Social Groups and Its Impact on Crowd Dynamics. In: PLoS ONE 5.4 (Apr. 2010), e10047, 2010. G. Köster u. a.: Pedestrian and Evacuation Dynamics 2012. In: Hrsg. von U. Weidmann, U. Kirsch und M. Schreckenberg. Springer International Publishing. Kap. Validation of Crowd Models Including Social Groups, S. 1051–1063, 2014. Podcasts T. Kretz: Fußgängermodelle, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 90, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. H. Benner: Fußgänger, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 43, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015.

Markus Maier hat 2016 in der Arbeitsgruppe des Instituts für Angewandte und Numerische Mathematik am KIT promoviert, in der auch Gudrun arbeitet. Sein Thema war The Mathematical Analysis of a Micro Scale Model for Lithium-Ion Batteries. Wie der Name der Arbeit suggeriert, betrachtet er Modelle für Lithium-Ionen-Akkumulatoren (die englische Übersetzung ist für uns Deutsche etwas irreführend Batteries), die auf mikroskopischer Ebene die Stromabgabe über die elektrochemischen Eigenschaften vorhersagen können. Ausgangspunkt des Themas war der Wunsch Degradationsmechanismen - also die Alterung der Akkus - besser zu verstehen. Das Thema Strom speichern ist sehr wichtig und wird in Zukunft noch wichtiger werden. Simulationen sind hier nötig, da jedwedes Messen auf der Mikroskala unmöglich ist - es geht um Objekte von der Größe einiger Mikrometer. Das Ausweichen auf die besser durch Messungen begleitbare makroskopische Ebene im Modell ist nicht möglich, weil man nur auf der Ebene der Ionen die Abläufe nachbilden kann, die zur Alterung führen. Ein Beispiel für so einen Prozess ist, dass die Lithium Ionen nach der Wanderung durch das Elektrolyt in der Kathode auf Platzproblem treffen, die dazu führen können, dass die Katode beschädigt wird, wenn sich die Ionen den nötigen Platz verschaffen. Diese Beschädigungen führen zu Reduzierung der Kapazität. Leider ist die modellhafte Auflösung der ganzen Mikrostruktur einer Batterie numerisch noch unmöglich - weshalb die Untersuchung der Arbeit im Moment nur lokale Ergebnisse enthält. Die kristalline Struktur in der Kathode kann es auch ermöglichen, dass sich eine zweite Phase bildet, in der sich mehr Lithium-Partikel anlagern als ursprünglich Platz in der Kathode ist. Das führt auf ein 2-Phasen-Problem mit einem Phasenübergang. Der Rand zwischen den Phasen ist dann Teil der gesuchten Lösung des Problems. Dieser Teil ist im Moment noch nicht im Modell enthalten. Schließlich hat sich Markus darauf konzentriert, ein Kompromiss-Modell der Ingenieure zu untersuchen, das im Wesentlichen auf Erhaltungseigenschaften beruht. Es hat die Form eines Systems von zwei gekoppelten partiellen Differentialgleichungen für das elektrische Potential und die Lithium-Ionen-Verteilung, welche in den zwei aneinander grenzenden Gebieten gelten. Am Grenzübergang zwischen Elekrolyt und Lithium-Partikeln gilt eine nichtlinearen Gleichung. Die erste Frage ist: Wie sichert man die Existenz und Eindeutigkeit der Lösung? Die Struktur des Beweises erweist sich als hilfreich für das anschließend gewählte numerische Verfahren. Es nutzt die Monotonie des elektrischen Potentials aus. Die Argumente gelten allerdings nur für ein klein genug gewähltes Zeitintervall, weil ein konstanter Strom als Entaldungs-Randbedingung gewählt wurde (nur für kurze Zeiten realistisch). Für Modelle, die Degradation simulieren können, wären andere Randbedingungen nötig wie beispielsweise ein konstanter Widerstand. Ein Masterstudent hat mit dem Open Source Finite-Elemente-Solver deal.II das vorgeschlagene Verfahren im Rahmen seiner Abschlussarbeit programmiert und nachgewiesen, dass es funktioniert und die Resultate überzeugen können. Literatur und weiterführende Informationen A. Latz & J. Zausch: Thermodynamic consistent transport theory of Li-ion batteries, Journal of Power Sources 196 3296--3302, 2011. T. Seger: Elliptic-Parabolic Systems with Applications to Lithium-Ion Battery Models, Doktorarbeit Universität Konstanz, 2013. M. Kespe & H. Nirschl: Numerical simulation of lithium-ion battery performance considering electrode microstructure, International Journal of Energy Research 39 2062-2074, 2015. J.-M. Tarascon & M. Armand: Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries, Nature 414 359-367, 2001. Podcasts A. Jossen: Batterien, Gespräch mit Markus Völter im Omega Tau Podcast, Folge 222, 2016. J. Holthaus: Batterien für morgen und übermorgen, KIT.Audio Podcast, Folge 2, 2016. D. Breitenbach, U. Gebhardt, S. Gaedtke: Elektrochemie, Laser, Radio, Proton Podcast, Folge 15, 2016.

Das Gespräch mit Susanne Höllbacher von der Simulationsgruppe an der Frankfurter Goethe-Universität war ein Novum in unserer Podcastgeschichte. Das erste mal hatte sich eine Hörerin gemeldet, die unser Interesse an Partikeln in Strömungen teilte, was sofort den Impuls in Gudrun auslöste, sie zu einem Podcastgespräch zu diesem Thema einzuladen. Susanne hat in der Arbeitsgruppe von Gabriel Wittum in Frankfurt promoviert. Dort werden Finite-Volumen-Verfahren zur Lösung von Partiellen Differentialgleichungen benutzt. Das Verfahren betrifft hier insbesondere die räumliche Diskretisierung: Das Rechengebiet wird in Kontrollvolumen aufgeteilt, in denen durch das Verfahren sichergestellt wird, dass bestimmte Größen erhalten bleiben (z.B. die Masse). Diese Verfahren stammen aus dem Umfeld hyperbolischer Probleme, die vor allem als Erhaltungsgesetze modelliert sind. Diese Gleichungen haben die Eigenschaft, dass Fehler nicht automatisch geglättet werden und abklingen sondern potentiell aufgeschaukelt werden können. Trotzdem ist es möglich, diese numerischen Verfahren ähnlich wie Finite-Elemente-Verfahren als Variationsprobleme zu formulieren und die beiden Familien in der Analyse etwas näher zusammenrücken zu lassen. Gemeinsam ist ihnen ja ohnehin, dass sie auf große Gleichungssysteme führen, die anschließend gelöst werden müssen. Hier ist eine billige und doch wirkungsvolle Vorkonditionierung entscheidend für die Effizienz und sogar dafür, ob die Lösungen durch das numerische Verfahren überhaupt gefunden werden. Hier hilft es, schon auf Modell-Ebene die Eigenschaften des diskreten Systems zu berücksichtigen, da ein konsistentes Modell bereits als guter Vorkonditionierer fungiert. Das Promotionsprojekt von Susanne war es, eine Methode zur direkten numerischen Simulation (DNS) von Partikeln in Fluiden auf Basis eines finite Volumen-Verfahrens zu entwickeln. Eine grundsätzliche Frage ist dabei, wie man die Partikel darstellen möchte und kann, die ja winzige Festkörper sind und sich anders als die Strömung verhalten. Sie folgen anderen physikalischen Gesetzen und man ist geneigt, sie als Kräfte in die Strömung zu integrieren. Susanne hat die Partikel jedoch als Teil des Fluides modelliert, indem die Partikel als finite (und nicht infinitesimal kleine) Volumen mit zusätzlicher Rotation als Freiheitsgrad in die diskreten Gleichungen integriert werden. Damit fügen sich die Modelle für die Partikel natürlich und konsistent in das diskrete System für die Strömung ein. Vorhandene Symmetrien bleiben erhalten und ebenso die Kopplung der Kräfte zwischen Fluid und Partikel ist gewährleistet. Die Nebenbedingungen an das System werden so formuliert, dass eine Sattelpunkt-Formulierung vermieden wird. Die grundlegende Strategie dabei ist, die externen Kräfte, welche bedingt durch die Partikel und deren Ränder wirken, direkt in die Funktionenräume des zugrundeliegenden Operators zu integrieren. In biologischen Systemen mit hoher Viskotität des Fluides fungiert die Wirkung der Partikel auf das Fluid als Informationstransport zwischen den Partikeln und ist sehr wichtig. In der Umsetzung dieser Idee verhielten sich die Simulationen des Geschwindigkeitsfeldes sehr gutartig, aber Susanne beobachtete Oszillationen im Druck. Da sie sich nicht physikalisch erklären ließen, musste es sich um numerische Artekfakte handeln. Bei näherem Hinsehen zeigte sich, dass es vor allem daran lag, dass die Richtungen von Kraftwirkungen auf dem Rand der Partikel im diskreten System nicht sinnvoll approximiert wurden. In den berechneten Lösungen für das Geschwindigkeitsfeld hat sich dies kaum messbar niedergeschlagen. Im Druck zeigte sich jedoch, dass es sich lohnt, hier das numerische Verfahren zu ändern, so dass die Normalenrichtungen auf dem Rand jeweils korrekt sind. Mathematisch heißt das, dass die Ansatzfunktionen so geändert werden, dass deren Freiheitsgrade auf dem Rand liegen. Der Aufwand dafür ist vergleichsweise gering und die Resultate sind überzeugend. Die Oszillationen verschwinden komplett. Der Nachweis der Stabilität des entstehenden Gleichungssystems lässt sich über die inf-sup-Bedingung des orginalen Verfahrens erbringen, da die Konstruktion den Raum in der passenden Weise erweitert. Literatur und weiterführende Informationen S. V. Apte, M. Martin, N. A. Patankar: A numerical method for fully resolved simulation (FRS) of rigid particle–flow interactions in complex flows, Journal of Computational Physics 228, S. 2712–2738, 2009. R. E. Bank, D. J. Rose: Some Error Estimates for the Box Method, SIAM Journal on Numerical Analysis 24, S. 777–787, 1987. Glowinski, R.: Finite element methods for incompressible viscous flow, P. G. Ciarlet, J. L. Lions (Eds.), Handbook of Numerical Analysis IX (North-Holland, Amsterdam), S. 3–1176, 2003. Strang, G.: Wissenschaftlisches Rechnen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010. A. Vogel, S. Reiter, M. Rupp, A. Naegel, G. Wittum: UG 4: A novel flexible software system for simulating PDE based models on high perfo

Constanza Rojas-Molina is a postdoc at the Institute of Applied Mathematics of the University of Bonn. Gudrun Thäter met her in Bonn to talk about Constanza's blog The Rage of the Blackboard. The blog’s title makes reference to an angry blackboard, but also to the RAGE Theorem, named after the mathematical physicists D. Ruelle, W. Amrein, V. Georgescu, and V. Enss." Standing at a blackboard can be intimidating and quite a few might remember moments of anxiety when being asked to develop an idea in front of others at the blackboard. But as teachers and scientists we work with the blackboard on a daily basis and find a way to "tame" its "rage". Gudrun and Constanza share that they are working in fields of mathematics strongly intertwined with physics. While Gudrun is interested in Mathematical Fluid dynamics, Constanza's field is Mathematical physics. Results in both fields very much rely on understanding the spectrum of linear (or linearized) operators. In the finite-dimensional case this means to study the eigenvalues of a matrix. They contain the essence of the action of the operator - represented by different matrices in differing coordinate systems. As women in academia and as female mathematicians Gudrun and Constanza share the experience that finding the essence of their actions in science and defining the goals worth to pursue are tasks as challenging as pushing science itself, since most traditional coordinate systems were made by male colleagues and do not work in the same way for women as for men. This is true even when raising own children does not enter the equation. For that Constanza started to reach out to women in her field to speak about their mathematical results as well as their experiences. Her idea was to share the main findings in her blog with an article and her drawings. When reaching out to a colleague she sends a document explaining the goal of the project and her questions in advance. Constanza prepares for the personal conversation by reading up about the mathematical results. But at the same moment she is interested in questions like: how do you work, how do you come up with ideas, what do you do on a regular day, etc. The general theme of all conversations is that a regular day does not exist when working at university. It seems that the only recurring task is daily improvisation on any schedule made in advance. One has to optimize how to live with the peculiar situation being pushed to handle several important tasks at once at almost any moment and needs techniques to find compromise and balance. An important question then is: how to stay productive and satisfied under these conditions, how to manage to stay in academia and what personal meaning does the word success then take. In order to distill the answers into a blog entry Constanza uses only a few quotes and sums up the conversation in a coherent text. Since she seeks out very interesting people, there is a lot of interesting material. Constanza focuses on the aspects that stay with her after a longer thought process. These ideas then mainly drive the blog article. Another part of the blog are two drawings: one portrait of the person and one which pictures the themes that were discussed and might not have made it into the text. Surprisingly it turned out to be hard to find partners to talk to, and the process to make it a blog entry takes Constanza a year or longer. On the other hand, she feels very lucky that she found women which were very generous with their time and in sharing their experiences. Besides the engagement and love for what they do, all the participants had this in common: they were already promoting the participation of women in science. To learn from them as a younger researcher means, for example, to see the own impact on students and that building a community is very important, and a success in its own. Though Constanza invests a lot of time in the blog project, it is worth the effort since it helps her to work towards a future either in or outside academia. Gudrun and Constanza found out that though both of their projects explore mathematical themes as well as people working in mathematics, the written parts of blog and podcast differ in that what makes it into the notes in Constanza's blog is, so to say, bonus material available only for the listening audience in Gudruns podcast (since it is never in the shownotes). In that sense, Gudrun's podcast and Constanza's blog are complementary views on the life of researchers. Constanza did her undergraduate studies in La Serena in Chile. She started out with studying physics but soon switched to mathematics in order to understand the basics of physics. When she had almost finished her Masters program in La Serena she wanted to continue in science abroad. She was admitted to a french (one year) Master program at the University Paris 6 and later did her PhD in the nearby University Cergy-Pontoise. After that she applied for a Marie-Curie fellowship in order to

Steffen Winter befasst sich mit fraktaler Geometrie, also mit Mengen, deren Dimension nicht ganzahllig ist. Einen intuitiven Zugang zum Konzept der Dimension bieten Skalierungseigenschaften. Ein einfaches Beispiel, wie das funktioniert, ist das folgende: Wenn man die Seiten eines Würfels halbiert, reduziert sich das Volumen auf ein Achtel (ein Halb hoch 3). Bei einem Quadrat führt die Halbierung der Seitenlänge zu einem Viertel (ein Halb hoch 2) des ursprünglichen Flächeninhalts und die Halbierung einer Strecke führt offenbar auf eine halb so lange Strecke (ein Halb hoch 1). Hier sieht man sehr schnell, dass die uns vertraute Dimension, nämlich 3 für den Würfel (und andere Körper), 2 für das Quadrat (und andere Flächen) und 1 für Strecken (und z.B. Kurven) in die Skalierung des zugehörigen Maßes als Potenz eingeht. Mengen, bei denen diese Potenz nicht ganzzahlig ist, ergeben sich recht ästhetisch und intuitiv, wenn man mit selbstähnlichen Konstruktionen arbeitet. Ein Beispiel ist der Sierpinski-Teppich. Er entsteht in einem iterativen Prozess des fortgesetzten Ausschneidens aus einem Quadrat, hat aber selbst den Flächeninhalt 0. Hier erkennt man durch die Konstruktion, dass die Skalierung ln 8/ln 3 ist, also kein ganzzahliger Wert sondern eine Zahl echt zwischen 1 und 2. Tatsächlich sind das Messen von Längen, Flächen und Volumina schon sehr alte und insofern klassische Probleme und auch die Defizite der beispielsweise in der Schule vermittelten Formeln beim Versuch, sie für Mengen wie den Sierpinski-Teppich anzuwenden, werden schon seit etwa 100 Jahren mit verschiedenen angepassten Maß- und Dimensionskonzepten behoben. Ein Dimensionsbegriff, der ganz ohne die Hilfe der Selbstähnlichkeit auskommt, wurde von Felix Hausdorff vorgeschlagen und heißt deshalb heute Hausdorff-Dimension. Hier werden Überdeckungen der zu untersuchenden Menge mit (volldimensionalen) Kugeln mit nach oben beschränktem (aber ansonsten beliebigem) Durchmesser angeschaut. Die Durchmesser der Kugeln werden zu einer Potenz s erhoben und aufsummiert. Man sucht unter allen Überdeckungen diejenigen, bei denen sich so die kleinste Durchmessersumme ergibt. Nun lässt man den maximal zulässigen Durchmesser immer kleiner werden. Die Hausdorff-Dimension ergibt sich als die kleinstmögliche Potenz s, für die diese minimalen Durchmessersummen gerade noch endlich bleiben. Ein verwandter aber nicht identischer Dimensionsbegriff ist die sogenannte Box-Dimension. Für hinreichend gutartige Mengen stimmen Hausdorff- und Box-Dimension überein, aber man kann zum Beispiel Cantormengen konstruieren, deren Dimensionen verschieden sind. Für die Box-Dimension kann der Fall eintreten, dass die Vereinigung abzählbar vieler Mengen der Dimension 0 zu einer Menge mit Dimension echt größer als 0 führt, was im Kontext von klassischen Dimensionen (und auch für die Hausdorff-Dimension) unmöglich ist und folglich eher als Hinweis zu werten ist, mit der Box-Dimension sehr vorsichtig zu arbeiten. Tatsächlich gibt es weitere Konzepte fraktale Dimensionen zu definieren. Interessant ist der Fakt, dass erst der Physiker und Mathematiker Benoit Mandelbrot seit Ende der 1960er Jahre eine intensivere Beschäftigung mit solchen Konzepten angestoßen hat. Er hatte in vielen physikalischen Phänomenen das Prinzip der Selbstähnlichkeit beobachtet - etwa dass sich Strukturen auf verschiedenen Größenskalen wiederholen. Wenn man z.B. ein Foto von einem Felsen macht und dazu keine Skala weiß, kann man nicht sagen, ob es sich um einen Stein, einen Ausschnitt aus einem mikroskopischen Bild oder um ein Kletterfelsen von 500m Höhe oder mehr handelt. Durch den Einzug von Computern an jedem Arbeitsplatz und später auch in jedem Haushalt (und den Kinderzimmern) wurde die Visualisierung solcher Mengen für jeden und jede sehr einfach möglich und führte zu einem regelrechten populärwissenschaftlichen Boom des Themas Fraktale. Schwierige offene Fragen im Kontext solcher fraktalen Mengen sind z.B., wie man Begriffe wie Oberflächeninhalt oder Krümmung sinnvoll auf fraktale Strukturen überträgt und dort nutzt, oder wie die Wärmeausbreitung und die elektrische Leitfähigkeit in solchen fraktalen Objekten beschrieben werden kann. Literatur und weiterführende Informationen B. Mandelbrot: Die fraktale Geometrie der Natur, Springer-Verlag, 2013. S. Winter: Curvature measures and fractals, Diss. Math. 453, 1-66, 2008. K. Falconer: Fractal geometry, mathematical foundations and applications, John Wiley & Sons, 2004. Podcasts P. Kraft: Julia Sets, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 119, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. http://modellansatz.de/julia-sets

Pascal Kraft is a researcher at the Institute for Applied and Numerical Mathematics of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and he introduces us to Julia Sets which he investigated for his Bachelors Thesis. It is natural for us to think something like this: If I take two simple things and put them together in some sense, nothing too complex should arise from that. A fascinating result of the work of mathematicians like Gaston Julia and Benoît Mandelbrot dating back to the first half of the 20th century show that this assumption doesn't always hold. In his bachelor's thesis under supervision of Jan-Philipp Weiß, Pascal Kraft worked on the efficient computation of Julia Sets. In laymans terms you can describe these sets as follows: Some electronic calculators have the functions of repeating the last action if you press "=" or "enter" multiple times. So if you used the root function of your calculator on a number and now you want the root of the result you simply press "=" again. Now imagine you had a function on your calculater that didn't only square the input but also added a certain value - say 0.5. Then you put in a number, apply this function and keep repeating it over and over again. Now you ask yourself if you keep pressing the "="-button if the result keeps on growing and tends to infinity or if it stays below some threshold indefinitely. Using real numbers this concept is somewhat boring but if we use complex numbers we find, that the results are astonishing. To use a more precise definition: for a function , the Filled Julia Set is defined as the set of values , for whom the series stays bounded. The Julia Set is defined as the boundary of this set. A typical example for a suitable function in this context is . We now look at the complex plane where the x-axis represents the real part of a complex number and the y-axis its imaginary part. For each point on this plane having a coordinate we take the corresponding complex number and plug this value into our function and the results over and over again up to a certain degree until we see if this sequence diverges. Computing a graphical representation of such a Julia Set is a numerically costly task since we have no other way of determining its interior points other then trying out a large amount of starting points and seeing what happens after hundreds of iterations. The results, however, turn out to be surprising and worth the effort. The geometric representations - images - of filled Julia Sets turn out to be very aesthetically pleasing since they are no simple compositions of elementary shapes but rather consist of intricate shapes and patterns. The reason for these beautiful shapes lie in the nature of multiplication and addition on the complex plane: A multiplication can be a magnification and down-scaling, mirroring and rotation, whereas the complex addition is represented by a translation on the complex plane. Since the function is applied over and over again, the intrinsic features are repeated in scaled and rotated forms over and over again, and this results in a self-similarity on infinite scales. In his bachelor's thesis, Pascal focussed on the efficient computation of such sets which can mean multiple things: it can either mean that the goal was to quickly write a program which could generate an image of a Julia Set, or that a program was sought which was very fast in computing such a program. Lastly it can also mean that we want to save power and seek a program which uses computational power efficiently to compute such an image, i.e. that consumes little energy. This is a typical problem when considering a numerical approach in any application and it arises very naturally here: While the computation of Julia Sets can greatly benefit from parallelization, the benefits are at loss when many tasks are waiting for one calculation and therefore the speedup and computational efficiency breaks down due to Amdahl's law. The difference of these optimization criteria becomes especially obvious when we want to do further research ontop of our problem solver that we have used so far. The Mandelbrot Set for example is the set of values , for whom the Filled Julia Set is not equal to the Julia Set (i.e. the Filled Julia Set has interior points). One detail is important for the computation of either of these sets: If we check one single point we can never really say if it is inside the Filled Julia Set for sure (unless we can prove periodicity but that is not really feasible). What we can show however is, that if the magnitude of a point in the series of computations is above a certain bound, the results will tend to infinity from this point on. The approach is therefore to compute steps until either a maximum of steps is reached or a certain threshold is exceeded. Based on this assumption, we see that computing a point which lies inside the filled Julia Set is the bigger effort. So if computing a Julia Set for a given parameter is a lot of work,

Lorenz Schwachhöfer ist seit 2003 Professor für Mathematik an der TU Dortmund. Gudrun kennt ihn aus ihrer Zeit als als Hochuldozentin dort (2004-2008). Seinen kurzen Gastaufenthalt in der AG von Prof. Tuschmann in Karlsruhe wollten die beiden ausnutzen, um ein Podcast-Gespräch zu führen. Das Forschungsgebiet von Lorenz Schwachhöfer gehört zur Differentialgeometrie. Deshalb dreht sich ihr Gespräch um zentrale Begriffe in diesem mathematischen Gebiet zwischen Geometrie und Analysis: Die Krümmung und das Finden von Minimalflächen. Der Begriff Krümmung kommt in unserer Alltagssprache vor. Die Mathematik muss das Konzept von "gekrümmt sein" nur klar fassen, um damit präzise arbeiten zu können. Die zentrale Eigenschaft, die durch das Wort beschrieben wird, ist wie sehr sich eine Fläche von einer Ebene unterscheidet. Oder auch wie stark sich eine Kurve von einer Geraden unterscheidet. Eine Ebene (bzw.eine Gerade) ist nicht gekrümmt. Mathematisch ausgedrückt haben sie deshalb die Krümmung 0. Wenn man nun untersuchen - und mit einer Zahl ausdrücken - möchte, wie sehr sich z.B. eine Kurve in jedem Punkt von eine Gerade unterscheidet, verwendet man folgenden Trick: Man definiert einen Parameter - z.B. die Bogenlänge - und stellt die Kurve als Funktion dieses Parameters dar. Dann berechnet man die Änderung des Richtungsvektors der Kurve in jedem Punkt. D.h. man braucht die zweite Ableitung nach dem Parameter in dem Punkt. Das Ergebnis für einen Kreis mit Radius r lautet dann: Er hat überall die Krümmung 1/r. Daran sieht man auch, dass kleine Kreise sehr stark gekrümmt sind während sehr große Kreise eine so kleine Krümmung haben, dass man sie fast nicht von einer Geraden unterscheiden kann. Auch die Erdoberfläche wirkt lokal wie eine Ebene, denn in der mit unseren Augen wahrgenommenen Umgebung ist ihre Krümmung klein. Was für Kurven recht anschaulich zu definieren geht, ist für Flächen im dreidimensionalen Raum nicht ganz so klar. Das einzig klare ist, dass für jede Art Krümmung, die man mathematisch definiert, jede Ebene in jedem Punkt die Krümmung 0 haben muss. Wenn man die Idee der Parametrisierung auf Flächen überträgt, geht das im Prinzip auch, wenn man zwei Parameter einführt und Krümmung auf eine bestimmte Richtung im Punkt auf der Fläche entlang bezieht. Beim Zylinder kann man sich gut vorstellen, wie das Ergebnis aussieht: Es gibt die Richtung entlang der Kreislinie des Querschnitts. Diese Kurve ist ein Kreis und hat die Krümmung 1/r. Läuft man dazu im rechten Winkel auf der Zylinderhülle, folgt man einer Gerade (d.h. Krümmung in diese Richtung ist 0). Alle anderen Wege auf der Zylinderoberfläche liegen in Bezug auf die Krümmung zwischen diesen beiden Werten 1/r und 0. Tatsächlich kann man auch für allgemeine Flächen zeigen, dass man in jedem Punkt eine Zerlegung in zwei solche "Haupt"-Richtungen findet, für die maximale bzw. minimale Krümmungswerte gelten (und die senkrecht zueinander sind). Alle anderen Richtungen lassen sich daraus linear zusammensetzen. Die Kugeloberfläche hat z.B. eine hohe Symmetrie und verhält sich in allen Richtungen gleich. Alle Wege auf der Kugeloberfläche sind lokal Teile von Kreisen. Man kann sich hier auch überlegen, was tangential bedeutet, indem man in einem Punkt auf der Oberfläche eine Ebene anschmiegt. Die Richtung senkrecht auf dieser tangentialen Ebene ist die Normalenrichtung auf dem Punkt der Kugeloberfläche an dem die Tangentialebene anliegt. Tatsächlich gibt es für Flächen aber mehr als einen sinnvollen Krümmungsbegriff. Man kann z.B. einen Zylinder sehr schön in Papier "einwickeln". Bei einer Kugel geht das nicht - es bleibt immer Papier übrig, das man wegfalten muss. Wenn man einen Kühlturm einpacken möchte, reicht das Papier nicht für die nach innen einbuchtende Oberfläche. Die Eigenschaft, die wir mir dem Einwickeln veranschaulicht haben, wird mit dem Begriff der Gaußkrümmung ausgedrückt. Um sie zu berechnen, kann man in einem Punkt die oben definierten Richtungsskrümmungen anschauen. Maximal- und Minimalwerte werden für senkrecht aufeinander stehende Richtungen realisiert. Das Produkt der beiden extremen Krümmungen ergibt dann die Gaußkrümmung. In unserem Beispiel mit dem Zylinder ist die Gaußkrümmung also 0 mal 1/r = 0. Das ist aber tatsächlich ganz unabhängig von der Richtungskrümmung untersuchbar, weil es sich durch Längen- bzw. Flächenverhältnisse in der Fläche bestimmen lässt. Genauer gesagt: Wenn man auf der Kugel um einen Punkt einen Kreis auf der Kugeloberfläche zieht (d.h. seine Punkte liegen auf der Kugeloberfläche und haben alle den Abstand r vom gewählten Punkt), hat dieses Objekt einen kleineren Flächeninhalt als ein ebener Kreis mit dem gleichen Radius. Deshalb sagt man: Die Kugel hat positive Gaußkrümmung. Bei negativer Gaußkrümmung ist der Flächeninhalt auf der Oberfläche größer als in der Ebene. Das trifft für den Kühlturm zu. Diese Eigenschaft lässt sich innerhalb der Fläche untersuchen. Man braucht gar keine Einbettung in einen umgebenden Raum. Da

Torsten Ueckerdt arbeitet seit 2012 in der Arbeitsgruppe Diskrete Mathematik an unserer Fakultät für Mathematik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er hat an der TU Berlin Mathematik studiert und promoviert. Anschließend forschte er für einige Zeit in Prag mit Jan Kratochvil. Er arbeitet unter anderem mit geometrischen Graphen. Graphen sind allgegenwärtige Modelle in vielen und sehr unterschiedlichen Anwendungen. Im jedem Fall bestehen sie aus Knoten und Kanten (zwischen den Knoten). Ein Beispiel für einen geometrischen Graphen, auf das wir im Gespräch mehrfach zurückkommen, ist die folgende Reduktion von Landkarten: Knoten stehen für die Länder und Kanten zwischen zwei Knoten symbolisieren eine gemeinsame Grenze der Länder. Damit ist der Graph eine abstrakte aber dabei auch sehr klare Fassung der nachbarschaftlichen Lage der Länder in der Landkarte. Das heißt, dass für die Darstellung im Graphen die meiste geometrische Information der Landkarte aussortiert wird. Andere Beispiele für geometrische Graphen sind Sichtbarkeitsgraphen, geometrische Vergleichbarkeits- und Schnittgraphen (z.B. Intervallgraphen), Einheitsdistanz-Graphen oder geordnete Graphen die etwa bei Schedulingproblemen eine große Rolle spielen. Wenn ein geometrisches Problem mittels eines Graphen abstrahiert wird, kann das immense Vorteile bringen. Zum Beispiel können so Resultate, Konzepte und Techniken für allgemeine Graphen verwendet werden. Auch das bloße "Vergessen" der geometrischen Einbettung kann die Argumentationen und Objekte erheblich vereinfachen. Andererseits ist das erstrebte Resultat für allgemeine Graphen eventuell gar nicht gültig. Eine wichtige Aufgabe ist es deshalb, eine gute Balance zu finden zwischen Abstraktion und wesentlicher geometrischer Information, die die Untersuchung beeinflusst. Interessant ist, dass bestimmte Eigenschaften des Graphen von der Geometrie "dahinter" diktiert werden. Sehr zugängliche Beispiele für die Nützlichkeit der Abstraktion durch Graphen sind das Königsberger Brückenproblem und das Springerproblem. Andere Fragen, die Torsten umtreiben sind das Färben (z.B. von Knoten oder Kanten) und Überdecken von Graphen. Einige Bekanntheit erlangte z.B. das Vier-Farben-Problem. Die Frage ist dabei, ob es für alle Landkarten möglich ist, die Länder mit vier unterschiedlichen Farben so einzufärben, dass Nachbarländer stets unterschiedliche Farben haben. Der Beweis dafür, dass dies eine wahre Aussage ist, ist inzwischen gelungen und hat zwei Hauptschritte. Im ersten Schritt werden die potentiell unendlich viele Fälle, die bei Landkarten auftreten können, auf endlich viele (leider noch sehr viele) zurückgeführt. Anschließend wird der Beweis durch Fallunterscheidungen für mehrere 1000 Fälle auf Computer ausgelagert. An diesem Beispiel zeigen sich auch deutlich einige typische Aspekte von Torstens Arbeit. Einerseits scheint es nicht sehr befriedigend, dass man auf Computer im Beweis nicht verzichten kann. Andererseits ist der schwierige Schritt eigentlich der erste und die hier entwickelte Idee ist in der Tat eine sehr allgemeine Methode, die inzwischen auch für andere Fragen immer wieder eingesetzt wurde. Sie ist also bedeutsamer als "nur" Hilfsmittel im Beweis des Vier-Farben-Satzes zu sein. Andererseits trägt die Idee zwar weit genug für das Problem, aber wahrscheinlich ist sie nicht wirklich optimal für die untersuchte Struktur, da noch zu viele Fälle zu betrachten bleiben, die dann brutal durchprobiert werden. So gibt es auch spannende Verallgemeinerungen des Vier-Farben-Problems die bis heute ungelöst sind. Beim sogenannten Earth-Moon Problem fragt man zum Beispiel was passiert wenn jedes Land der Erde zusätzlich eine Kolonie auf dem Mond errichtet und wir nun die Länder mit möglichst wenigen Farben einfärben wollen, so dass keine zwei Länder die auf der Erde oder auf dem Mond benachbart sind die gleiche Farbe erhalten. Wir wissen nur, dass die kleinste Anzahl benötigter Farben irgendwo zwischen 9 und 12 liegt. Es sind letztlich nicht die errechneten Zahlen (wie die vier im Vier-Farben-Satz) das eigentlich Interessante, sondern die für deren Bestimmung entwickelten neuen Methoden. Ein weiterer Aspekt ist die enge Verbindung von Kombinatorik und Geometrie. Die Tatsache dass in so vielen Fällen die kontinuierliche und überabzählbare Welt der Geometrie eindeutig durch die diskrete und endliche Welt der Kombinatorik beschrieben werden kann, ist faszinierend und immer wieder spannend. In der diskreten und kombinatorischen Geometrie versucht Torsten zum Einen geometrische Arrangements kombinatorisch zu beschreiben und zum Anderen kombinatorische Objekte, wie zum Beispiel Graphen, geometrisch zu realisieren. Die einfach formulierbaren Fragen in Torstens Arbeiten haben häufig schwierige Antworten bzw. entziehen sich einer Bearbeitung noch ganz. Nicht zuletzt liegt das auch daran, dass die Kombinatorik schnell mit der explodierenden Komplexität an die Wand fährt. Am Beispiel der Landkarte: Nur für zehn (

Andrii Khrabustovskyi works at our faculty in the group Nonlinear Partial Differential Equations and is a member of the CRC Wave phenomena: analysis and numerics. He was born in Kharkiv in the Ukraine and finished his studies as well as his PhD at the Kharkiv National University and the Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine. He joined our faculty in 2012 as postdoc in the former Research Training Group 1294 Analysis, Simulation and Design of Nanotechnological Processes, which was active until 2014. Gudrun Thäter talked with him about one of his research interests Asymptotic analysis and homogenization of PDEs. Photonic crystals are periodic dielectric media in which electromagnetic waves from certain frequency ranges cannot propagate. Mathematically speaking this is due to gaps in the spectrum of the related differential operators. For that an interesting question is if there are gaps inbetween bands of the spectrum of operators related to wave propagation, especially on periodic geometries and with periodic coeffecicients in the operator. It is known that the spectrum of periodic selfadjoint operators has bandstructure. This means the spectrum is a locally finite union of compact intervals called bands. In general, the bands may overlap and the existence of gaps is therefore not guaranteed. A simple example for that is the spectrum of the Laplacian in which is the half axis . The classic approach to such problems in the whole space case is the Floquet–Bloch theory. Homogenization is a collection of mathematical tools which are applied to media with strongly inhomogeneous parameters or highly oscillating geometry. Roughly spoken the aim is to replace the complicated inhomogeneous by a simpler homogeneous medium with similar properties and characteristics. In our case we deal with PDEs with periodic coefficients in a periodic geometry which is considered to be infinite. In the limit of a characteristic small parameter going to zero it behaves like a corresponding homogeneous medium. To make this a bit more mathematically rigorous one can consider a sequence of operators with a small parameter (e.g. concerning cell size or material properties) and has to prove some properties in the limit as the parameter goes to zero. The optimal result is that it converges to some operator which is the right homogeneous one. If this limit operator has gaps in its spectrum then the gaps are present in the spectra of pre-limit operators (for small enough parameter). The advantages of the homogenization approach compared to the classical one with Floquet Bloch theory are: The knowledge of the limit operator is helpful and only available through homogenization. For finite domains Floquet Bloch does not work well. Though we always have a discrete spectrum we might want to have the gaps in fixed position independent of the size of our domain. Here the homogenization theory works in principle also for the bounded case (it is just a bit technical). An interesting geometry in this context is a domain with periodically distributed holes. The question arises: what happens if the sizes of holes and the period simultaneously go to zero? The easiest operator which we can study is the Laplace operator subject to the Dirichlet boundary conditions. There are three possible regimes: For holes of the same order as the period (even slightly smaller) the Dirichelet conditions on the boundary of holes dominate -- the solution for the corresponding Poisson equation tends to zero. For significantly smaller holes the influence on the holes is so small that the problem "forgets" about the influence of the holes as the parameter goes to zero. There is a borderline case which lies between cases 1 and 2. It represents some interesting effects and can explain the occurance of so-called strange terms. A traditional ansatz in homogenization works with the concept of so-called slow and fast variables. The name comes from the following observation. If we consider an infinite layer in cylindrical coordinates, then the variable r measures the distance from the origin when going "along the layer", the angle in that plane, and z is the variable which goes into the finite direction perpendicular to that plane. When we have functions then the derivative with respect to r changes the power to while the other derivatives leave that power unchanged. In the interesting case k is negative and the r-derivate makes it decreasing even faster. This leads to the name fast variable. The properties in this simple example translate as follows. For any function we will think of having a set of slow and fast variables (characteristic to the problem) and a small parameter eps and try to find u as where in our applications typically . One can formally sort through the -levels using the properties of the differential operator. The really hard part then is to prove that this formal result is indeed true by finding error

Thomas Henn hat im Oktober 2016 seine Promotion zum Thema Computersimulation von Partikelströmungen abgeschlossen. Partikelströmungen treten in zahlreichen natürlichen sowie künstlichen Vorgängen auf, beispielsweise als Transport von Feinstaub in den menschlichen Atemwegen, als Bildung von Sediment in Flüssen oder als Feststoff–Fluid Gemisch bei Filtrationen. Simulationen von Partikelströmungen kommen zum Einsatz, wenn physische Untersuchungen nicht möglich sind. Darüber hinaus können sie Kosten experimenteller Studien verringern. Häufig ist das der Fall, wenn es um medizinische Anwendungen geht. Wenn man beispielsweise aus CT-Aufnahmen die genaue Geometrie des Naseninnenraums eines Patienten kennt, kann durch Simulation in dieser spezifischen Geometrie ermittelt werden, wo sich Partikel welcher Größe ablagern. Das ist in zwei Richtungen interessant: Erstens zur Vermeidung von Gesundheitsbelastungen durch Einlagerung von Partikeln in der Lunge (dort landen alle Partikel, die die Nase nicht filtern kann) aber zweitens auch bei der bestmöglichen Verabreichung von Medikamenten mittels Zerstäubung in die Nasenhöhle. Es hat sich gezeigt, dass die Simulation von Strömungen mit einer großen Zahl an beliebig geformten Partikeln den herkömmlichen numerischen Methoden insbesondere bei der Parallelisierung Probleme bereitet. Deshalb wird die Lattice Boltzmann Methode (LBM) als neues Verfahren zur numerischen Simulation von Strömungen auf Partikelströmungen angewendet. Sie hat außerdem den Vorteil, dass komplexe Geometrien wie z.B. ein Naseninnenraum keine extra zu bewältigende Schwierigkeit darstellen. Die zentrale Idee für die effektive Parallelisierung unter LBM ist eine Gebietszerlegung: Die durchströmte Geometrie wird in Zellen aufgeteilt und diese Zellen gerecht auf die zur Verfügung stehenden Prozessoren verteilt. Da die Rechnungen für die Strömungsrechnung mit LBM im wesentlichen lokal sind (es werden nur die Informationen einer Zelle und der direkten Nachbarzellen benötigt), ist das extrem effektiv. Wenn nun neben der Strömung auch noch die Bewegung der Partikel berechnet werden soll, müssen natürlich physikalische Bewegungsmodelle gefunden werden, die für die jeweilige Partikelgröße und -form passen, daraus Gleichungen und deren Diskretisierung abgeleitet werden in der Implementierung die Vorteile der LBM bei der Parallelisierung möglichst nicht zerstört werden. Offensichtlich ist es am besten, wenn die Partikel möglichst gleichmäßig über die durchströmte Geometrie verteilt sind. Aber das kann man sich ja nicht immer so aussuchen. Je nach Größe und Dichte der Partikel wird es wichtig, neben der Wirkung des Fluids auf die Partikel auch Rückwirkung des Partikels auf die Strömung, Wechselwirkung der Partikel untereinander (z.B. auch herausfinden, wann sich Partikel berühren) Wechselwirkung der Partikel mit dem Rand der Geometriezu betrachten. Als sehr hilfreich hat sich eine ganz neue Idee herausgestellt: Partikelströmungen als bewegtes poröses Medium zu modellieren. D.h. für große Partikel stellt man sich vor, sie haben einen festen Kern und außen einen glatten Übergang in der Porösität zur reinen Fluidphase. Es zeigt sich, dass man dann sogar auf ein Modell verzichten kann, das die Kontakte der Partikel modelliert, weil sich die Partikel so natürlich in der Strömung bewegen, wie man es auch im Experiment beobachtet. Alle Berechnungen müssen validiert werden, auch wenn manchmal nicht ganz klar ist, wie das erfolgen kann. Zum Glück ist hier aber die enge Zusammenarbeit mit der Verfahrenstechnik am KIT eine große Hilfe, die die Computersimulationswerkzeuge auch für ihre Projekte nutzen und weiter entwickeln. Literatur und weiterführende Informationen L.L.X. Augusto: Filters, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 112, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. http://modellansatz.de/filters OpenLB Open source Lattice Boltzmann Code F. Bülow: Numerical simulation of destabilizing heterogeneous suspensions at vanishing Reynolds numbers. Karlsruhe, 2015. T. Henn et al.: Particle Flow Simulations with Homogenised Lattice Boltzmann Methods. To appear in Particuology. F. Klemens: Simulation of Fluid-Particle Dynamics with a Porous Media Lattice Boltzmann Method, MA thesis. Karlsruher Institut für Technologie, 2016. E. E. Michaelides: Particles, Bubbles & Drops: Their Motion, Heat and Mass Transfer, World Scientific Publishing Company Incorporated, 2006. T.Henn: Aorta Challenge, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 2, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2013. http://modellansatz.de/aorta-challenge

Helen hat am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ihren Bachelor in Mathematik abgeschlossen. Als Bachelorarbeit hatte sie sich das Thema Schaukeln gewählt unter der Betreuung von Gudrun Thäter. Es geht darin um Modelle, die tatsächlich die Schaukel vom Spielplatz untersuchen. Die zentrale Frage, die durch die Modelle und daraus abgeleitete Simulationen beantwortet werden soll ist: Wie funktioniert das Schwung geben beim schaukeln? Eine grundlegende Idee (die Helen aus der Literatur entnommen hat) ist es, die Schaukel als Fadenpendel mit veränderlicher Fadenlänge anzusehen. Das liegt daran, dass das Schwung geben sich vor allem durch die Veränderung der Lage des Schwerpunkts erklärt, die dann im Modell als veränderliche Pendellänge eingeht. Fadenlänge als Funktion in der Zeit erwies sich als nicht praktikabel deshalb ist sie in Helens Modell nun eine Funktion von der Winkelauslenkung. Das führt auf eine Differentialgleichung zweiter Ordnung für die Variable der Auslenkung. Reibungsverluste der Schaukel werden auf herkömmliche Art integriert und als proportional zur Geschwindigkeit des Massepunktes angenommen. Um realistische Parameter für Rechnungen zu gewinnen, konnten wir leider keine Experimente mit schaukelnden Kindern durchführen, sondern haben uns auf Computer-Simulation für unterschiedliche Konstellationen verlassen und Parameter für die realistisch erscheinenden Szenarien daraus entnommen. In der Arbeit enthalten sind nun neben dem theoretischen Modell auch unterschiedliche Fälle mit verschiedenen Seillängen und Personengrößen durchgerechnet und graphisch dargestellt. Zwei Ergebnisse, die man daraus ablesen kann sind, dass kürzere Schaukeln es einem leichter machen, sich aufzuschaukeln und große Leute einen Vorteil haben, weil sie ihren Schwerpunkt über eine größere Strecke verschieben können. Schließlich war es entscheidend für den Erfolg der Arbeit, sich an der richtigen Stelle Rat zu suchen. Literatur und weiterführende Informationen Physik des Aufschaukelns Anschubsen K. Magnus: Schwingungen, Teubner 1976.

Strömungen beobachten wir fast jeden Tag. Die Meeresbrandung fasziniert uns und eine gut funktionierende Klimaanlage ist ein wunderbarer Luxus, egal ob sie wärmt oder kühlt. Strömungen zu beherrschen ist aber auch in vielen verfahrenstechnischen Zusammenhängen wichtig. Insofern haben Gleichungen, die Strömungen beschreiben, eine große praktische Relevanz und gleichzeitig eine fast emotionale Anziehungskraft. Das einfachste mathematische Modell, das auch für viele Computersimulationen genutzt wird, sind die inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen (INS). Hier ist die strömende Substanz dem Wasser ähnlich genug, dass nur in der Materialkonstante Viskosität verschiedene Fließfähigkeiten unterschieden werden. Als Lösungen des Systems von partiellen Differentialgleichungen suchen wir das Geschwindigkeitsfeld und den Druck als Funktionen von Raum und Zeit . Im 3d-Fall ist das ein System von vier Gleichungen. Drei davon sind eine Vektorgleichung, die aus der Impulserhaltung abgeleitet wird und die vierte ist die Erhaltung der Masse. Im inkompressiblen Fall vereinfacht sich diese aus die Forderung, dass die Divergenz des Geschwindigkeitsfeldes verschwindet. Die komplexer aussehende Gleichung ist die Vektorgleichung, weil hier die zweiten räumlichen Ableitungen des Geschwindigkeitsfeldes, der Druckgradient, die zeitliche Ableitung der Geschwindigkeit und ein nichtlinearer Term vorkommen. Die Gleichungen müssen im Strömungsgebiet gelten. Die Lösungen müssen sich aus dem Anfangszustand entwickeln (Anfangsbedingung) und am räumlichen Rand vorgeschriebenen Werten, den Randwerten (meist fordert man, dass die Geschwindigkeit Null ist) genügen. Dieses Modell ist in einem längeren Prozess entwickelt worden. Ein großer Durchbruch bei der mathematischen Analyse gelang dem französischen Mathematiker Leray im Jahr 1934. Er hatte die geniale Idee, sich von dem Wunsch zu verabschieden, für diese komplizierte Gleichung eine punktweise zutreffende Lösung zu konstruieren. Statt dessen verallgemeinerte er den Lösungsbegriff und führte den Begriff der schwachen Lösung ein. Diese erfüllt die Gleichung nur im Sinne eines ausgeklügelten Systems von unendlich vielen Integralgleichungen. Er zeigte mit Hilfe von abstrakten Argumenten, dass die INS immer solche schwachen Lösungen haben. Heute ist bekannt, dass falls eine punktweise Lösung existiert (sogenannte starke Lösung), diese eindeutig ist (also insbesondere mit der schwachen übereinstimmt), es in 2d immer eine punktweise Lösung gibt, die für alle Zeiten existiert (unter geringfügigen Bedingungen an den Rand), und es unter Kleinheitsbedingungen an die Daten und bei glattem geometrischen Rand des Gebietes auch in 3d punktweise Lösungen gibt.Wir wissen jedoch in 3d nicht, ob die gefundenen schwache Lösung regulär bzw. stark ist (d.h. eine punktweise Lösung ist.) In Vorbereitung auf den Jahrtausendwechsel gab es in der Mathematik die Bestrebung, so wie dies 100 Jahre zuvor von Hilbert geschehen war, die wichtigsten mathematischen Problemstellungen in den Fokus zu nehmen. Das Ergebnis waren sieben sogenannte Milleniumsprobleme der Clay Foundation, für deren Lösung jeweils ein Preisgeld von einer Millionen Dollar ausgelobt wurde. Eines dieser für so wichtig angesehenen Probleme ist die offene Frage der Regularität der schwachen Lösungen der INS. Woran liegt das? Eine Eigenschaft der INS, die sie schwierig macht, ist ihre Nichtlinearität. Sie ist nur quadratisch und hat eine besondere Struktur. Diese Struktur verdanken wir es z.B., dass die schwache Theorie erfolgreich ist. Es besteht Hoffnung, dass wir auch die Lücke zur starken Theorie unter Ausnutzung der Struktur schließen können. Der Standardweg im linearen Fall (z.B. beim Laplace-Problem) ist es, für die schwachen Lösungen mit einem Münchhausen-Prinzip (Elliptic Bootstrapping) Stück für Stück mehr Regularität zu zeigen. Man kann so zeigen, dass die Lösung immer so gut ist, wie die es Daten erlauben. Man nennt das maximale Regularität. Leider ist für die INS das Wachstum in der Nichtlinearität zu schnell, um im 3d-Fall mit diesen Standardmethoden zu argumentieren (im 2d Fall geht es aber). Im 3d-Fall geht es aber unter bestimmten Zusatzbedingungen, z.B. einer höheren Integrierbarkeit des Geschwindigkeitsfeldes als die schwachen Lösungen von vornherein haben. Man fand dies über Skalierungs-Eigenschaften der Gleichung heraus. Grob gesagt, muss man fordern dass die Lösung zu einem Raum gehört, der Skalierungsinvariant ist. Eine weitere zusätzliche Forderung ist die Gültigkeit der Energiegleichung (Erhaltung der kinetischen Energie), denn leider weiß man bisher von schwachen Lösungen nur, dass sie eine Energieungleichung erfüllen. Eine zweite Schwierigkeit der INS ist der Zusammenhang zwischen Druck und Divergenzgleichung. Ein Trick der schwachen Theorie ist, dass wir uns von Anfang an auf Funktionen beschränken, die schwach divergenzfrei sind (also die Gleichung in Integralmittel erfüllen. Was in der Theorie sehr gut funktioniert, ist blö

Liliana de Luca Xavier Augusto is PhD student of chemical engineering at the Federal University of São Carlos in Brasil. She spent one year of her PhD (October 2015-2016) at the KIT in Karlsruhe to work with the group developing the software OpenLB at the Mathematical Department and the Department of Chemical Engineering. Liliana Augusto investigates filtering devices which work on a micro () and nano () level, and computes the pressure drop between in- and outlet of the filter as well as the collection efficiency. There is a research group conducting experimental setups for these problems, but her research group focuses specifically on mathematical modeling and computer simulation. Due to the small scale and nature of the experiments, one cannot easily take pictures from the physical filters by electronic microsopy, but it is indeed feasible to deduce some important characteristics and geometry such as the size of the fibres for proper modelling and simulation. Appropriate models for the small scale are mesoscopic like Lattice Boltzmann Model where microscopic models are very expensive- too expensive. She is busy with special boundary conditions necessary no-slip boundary condition on the macro scale has to be translated. There is a certain slip to be taken into account to align the results with experimental findings. Lattice Boltzman methods are not very prominent in Brasil. She was looking for suitable partners and found the development group around OpenLB who had co-operations with Brazil. She tried to apply the software on the problem, and she found out about the possibility to work in Germany through a program of the Brasilian government. It is not so common to go abroad as a PhD-student in Brazil. She learnt a lot not only in an academical manner but highly recommends going abroad to experience new cultures as well. She does not speak German- everything, from looking for partners to arriving in Germany, happened so fast that she could not learn the language beforehand. At the university, English was more than sufficient for scientific work, but she had difficulties finding a place to stay. In the end, she found a room in a student dorm with German students and a few other international students. References L.L.X. Augusto e.a.: CFD Simulation of nanofiber-enhanced air filter media - FILTECH 2015 - G6 - Modelling and simulation, 2015. L.L.X. Augusto e.a.: Predicting air flow resistance and capture efficiency of fibrous air filter media - Roomvent, 2014.

Günter M. Ziegler hat unsere Fakultät besucht, um im Didaktik-Kolloquium einen Vortrag mit dem Titel Was ist Mathematik? zu halten. Diese Gelegenheit ergriff Gudrun Thäter, um ihn auf ein kurzes Gespräch zu diesem weitreichenden Thema einzuladen. Günter M. Ziegler studierte Mathematik und Physik an der LMU München. Er promovierte 1987 am MIT in Cambridge und war anschließend in Augsburg und Djursholm (Schweden) wissenschaftlich tätig. 1992 habilitierte er an der TU Berlin und arbeitete anschließend sowohl am Konrad-Zuse-Zentrum als auch an der TU in Berlin (seit 1995 als Professor). 2011 folgte er einem Ruf auf eine Professur für Mathematik an die FU Berlin. Im Jahr 2001 erhielt er den höchstdotierten deutschen Wissenschaftspreis, den Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis der DFG. Professor Ziegler ist natürlich als jemand, der selbst in der Mathematik forscht, berufen, fundiert über sein Bild der Mathematik zu reden. Darüber hinaus hat er aber auch maßgeblich als Präsident des Berufsverbandes der Mathematiker, der DMV (von 2006 bis 2008) mit darauf hingearbeitet, das Bild der Mathematik in der Öffentlichkeit zu korrigieren und die Allgegenwart mathematischer Techniken und Ergebnisse im Alltag aller Menschen mit dem Wissenschaftsjahr der Mathematik 2008 ins Bewusstsein zu heben. Seither schreibt er auch regelmäßig die Kolumne Mathematik im Alltag in den Mitteilungen der DMV. Er ist Autor verschiedener Bücher zum Themenkreis und wurde für seine vielfältige Tätigkeit 2008 mit dem Communicator Preis ausgezeichnet. Auf dem Internationalen Mathematikerkongress ICM 2014 in Seoul präsentierte er einen eingeladenen Vortrag What is Mathematics? Das Gespräch berührt unter anderem die Themen: Wie fing die persönliche Begeisterung für Mathematik an? Wer ist eigentlich Mathematiker bzw. Mathematikerin? Wie kann man die vielfältigen Facetten der Mathematik sichtbar machen? Wie geht das in der Schule? Wie müssen wir Lehrpersonen hierfür ausbilden? Was ist eine Zahl? Wikipedia definiert Mathematik als "Wissenschaft ..., die durch logische Definitionen selbstgeschaffene abstrakte Strukturen mittels der Logik auf ihre Eigenschaften und Muster untersucht.". Dies klingt sehr langweilig und übersieht, dass Mathematik viele Aspekte hat: Mathematik ist als ein Teil unserer Kultur eingebettet in die Geschichte der Menschheit und war lange auf das engste verbunden mit der Wissenschaft Physik. Mathematik ist aber auch ein Werkzeugkasten für den Alltag. Für Deutschland ist das sehr spürbar seit dem Rechenbüchlein von Adam Ries (1522) - heute gehört dazu auch noch Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung zur Sortierung von Daten und Fakten. Mathematik ist Zukunftswissen als Grundlage von Hightech. Das zeigt sich u.a. darin, dass es Grundlage für jedes ingenieurwissenschaftliche Studium ist. Mathematik ist eine natürliche menschliche Tätigkeit, in der er seiner Neugier folgt und die spannend und herausfordernd ist. Schüler lernen im Lauf der Schulkarriere in der Regel nicht alle diese Facetten kennen. Nach dem Namen der verwendeten Schulbücher könnte man zum Beispiel denken, Geometrie und Algebra bildeten zusammen die Mathematik. Außerdem hat sich im Lauf der Zeit die Mathematik verändert. Das wird z.B. sichtbar in der Rolle der Computer früher und heute. Im Vergleich dazu gibt zu wenig Wechsel im schulischen Lernstoff. Was über die Zeit bleibt, sind natürlich die Fertigkeiten sauber zu argumentieren, präzise zu formulieren und logisch zu denken. Das muss man unter anderem auch als Ingenieur, Mediziner und Jurist können. Darüber hinaus ist es eine Grundfertigkeit im Alltag, Statistiken zu lesen und zu verstehen. Ein gutes Beispiel, um auch schon in der Schule aufzuzeigen, wo und wie überall Mathematik benutzt wird, wäre z.B. zu vermitteln wie die Wettervorhersage entsteht: Wie wird es gerechnet, mit welchen Unsicherheiten ist das Ergebnis behaftet usw.. Die Numerik ist im Detail zu schwierig, aber die Prinzipien lassen sich durchaus aufzeigen. Man kann auch damit beginnen, dazu Geschichten zu erzählen, die zunächst Grundprinzipien klar machen und anschließend bestimmte Aspekte auch genau und in der Tiefe verständlich machen. Deshalb wurde eine "Erzählvorlesung" Panorama der Mathematik in Berlin entwickelt, die das insbesondere für Lehramtskandidaten und -kandidatinnen sichtbar machen soll und Mathematik in einen weiten Kontext setzt. Es wird die Entwicklung von Mathematik als von Fragen getriebener Prozess dargestellt und ihre Ergebnisse nicht als alternativlos. Denn nicht einmal die Darstellung der Zahlen im Dezimalsystem ist die einzige Möglichkeit, die sich hätte durchsetzen können. Literatur und weiterführende Informationen R. Courant & H. Robbins: Was ist Mathematik? Springer 2001, ISBN 978-3540637776. H. Mendick et.al: Mathematical Bilder and identities: Education, entertainment, social justice. 2008 G.M. Ziegler: Darf ich Zahlen? Geschichten aus der Mathematik. Piper-Verlag, 2010, ISBN 3-492-05346-7. G.M. Ziegler: Mathematik – Da

Marco Lübbecke hat als Mathematiker den Lehrstuhl für Operations Research an der RWTH Aachen inne. Sein Lehrstuhl ist sowohl der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften als auch der Fachgruppe für Mathematik zugeordnet. Zum Gespräch mit Sebastian Ritterbusch in Karlsruhe kam es anlässlich des Treffens der DFG Forschergruppe 2083: Integrierte Planung im öffentlichen Verkehr auf Einladung von Peter Vortisch, der auch schon zur Verkehrsmodellierung in Folge 93 in diesem Podcast zu hören war. Auf Twitter sind Marco Lübbecke unter @mluebbecke und sein Lehrstuhl unter @RWTH_OR zu finden und er schreibt das Blog Café Opt. Operations Research befasst sich zusammenfassend mit mathematischen Modellen und Methoden zur Entscheidungsunterstützung. Dabei steht oft die Frage einer möglichst guten oder optimierten Entscheidung im Vordergrund und daher ist das Gebiet von mathematischer Seite im Bereich der mathematischen Optimierung angesiedelt. Die Optimierung behandelt grundsätzlich die Bestimmung eines optimalen Werts einer Zielfunktion (und einer dazugehörenden Lösung) unter Berücksichtigung von einschränkenden Nebenbedingungen, den Restriktionen. Daneben steht aber auch die Frage der geeigneten Abbildung und Modellierung der Wirklichkeit und den Fehlerquellen der Beschreibung wie auch die grundsätzliche Herangehensweise an das Problem. Das optimierte Zusammenspiel von Menschen, Algorithmen und Technologie wird seit 2011 auch oft mit dem Begriff Industrie 4.0 für eine erhoffte vierte industrielle Revolution beschrieben. Die einheitliche Definition des Begriffs lassen aber selbst renommierte Industrievertreter offen. Als eine Schnittmenge der Beschreibungen kann man die lokale Intelligenz von Fertigungskomponenten ausmachen, die über Vernetzung und Sensorik zu einem besseren Gesamtprozess führen kann. Im Kleinen werden so Entscheidungsprozesse durchgeführt und dies führt grundlegend auf die gerade eingeführte mathematische Optimierungstheorie mit allen ihren Facetten. So gesehen ist die Industrie 4.0 als Optimierungsproblem eigentlich ohne Mathematik undenkbar. Ein in der Universität sehr naheliegendes Feld der Optimierung ist die Vorlesungsplanung, und hier ist aus der Forschung zusammen mit Gerald Lach in Kooperation zwischen der TU Berlin und der RWTH Aachen die Lösung Mathplan entstanden, die inzwischen an vielen Universitäten erfolgreich zur Vorlesungs-, Tutorien- und Klausurplanung eingesetzt wird. Mit genügend Zeit und genügend Personal kann man zwar einen einigermaßen akzeptablen Plan mit viel Erfahrung auch ohne besondere mathematische Optimierung aufstellen, das ändert sich aber schlagartig, wenn kurzfristige Änderungen berücksichtigt und Konflikte aufgelöst werden müssen. Mathematisch geht es hier um ganzzahlige lineare Programme, für die zwar Lösungsverfahren bekannt waren, diese für die Größenordnung der Probleme nicht geeignet waren. Eine Modellreduktion ohne Verlust der Optimalität führte hier zur Lösung. Auch in der Erstellung von Zugfahrplänen besteht ein großes Optimierungspotential. Da die Realität nicht perfekt planbar ist, geht es hier besonders um eine robuste Planung, die auch bei entstehenden Störungen noch das anvisierte Ziel erreichen kann. In der Forschung unter anderem auch mit Anita Schöbel der Uni Göttingen geht es um die Analyse der Fortpflanzungen von Verzögerungen, damit besonders kritische Fälle besonders behandelt werden können. Ein weiterer Gesichtspunkt ist aber auch die Möglichkeit Probleme möglichst gut durch kleine Eingriffe wieder korrigieren zu können. Ein zunächst überraschendes Forschungsthema ist die Bundestagswahl, wo sich Sebastian Goderbauer mit der optimierten Wahlkreiseinteilung befasst. Die 299 Bundestagswahlkreise werden weitaus häufiger neu zugeschnitten als man denkt: Da nach Bundestagswahlgesetz jeder Wahlkreis gerade 1/299-tel der Wahlberechtigten mit einer Toleranz von maximal 25 Prozent vertreten muss, erfordert die Wählerwanderung und Veränderung der Bevölkerungsstruktur die regelmäßigen Veränderungen. Das sogenannte Gerrymandering ist besonders bei Wahlen mit Mehrheitswahlrecht ein sehr problematisches Vorgehen bei Wahlkreisveränderungen, das offensichtlich undemokratische Auswirkungen hat. In Deutschland ist dies weniger ein Problem, wohl aber die deutlich ungleiche Größenverteilung der Wahlkreise. Die mathematische Definition und Betrachtung als Optimierungsproblem trägt die Hoffnung in sich, dass das Zuschnitt-Verfahren transparenter und nachvollziehbarer als bisher abläuft, und das sich dadurch balanciertere Wahlkreisgrößen ergeben können. Ein zentrales Forschungsgebiet ist für Marco Lübbecke der Bereich der ganzzahligen Programme. Die vielen auftretenden Variablen können beispielsweise Entscheidungen repräsentieren, die diskrete Werte wie ja oder nein repräsentieren. Dazu kommen verschiedene Resktriktionen und Nebenbedingungen, die Einschränkungen aus der Umgebungssituationen wie beispielsweise begrenzte Resourcen darstellen. Der Begriff "Programm" für die B

This is the last of four conversation Gudrun had during the British Applied Mathematics Colloquium which took place 5th – 8th April 2016 in Oxford. Andrea Bertozzi from the University of California in Los Angeles (UCLA) held a public lecture on The Mathematics of Crime. She has been Professor of Mathematics at UCLA since 2003 and Betsy Wood Knapp Chair for Innovation and Creativity (since 2012). From 1995-2004 she worked mostly at Duke University first as Associate Professor of Mathematics and then as Professor of Mathematics and Physics. As an undergraduate at Princeton University she studied physics and astronomy alongside her major in mathematics and went through a Princeton PhD-program. For her thesis she worked in applied analysis and studied fluid flow. As postdoc she worked with Peter Constantin at the University of Chicago (1991-1995) on global regularity for vortex patches. But even more importantly, this was the moment when she found research problems that needed knowledge about PDEs and flow but in addition both numerical analysis and scientific computing. She found out that she really likes to collaborate with very different specialists. Today hardwork can largely be carried out on a desktop but occasionally clusters or supercomputers are necessary. The initial request to work on Mathematics in crime came from a colleague, the social scientist Jeffrey Brantingham. He works in Anthropology at UCLA and had well established contacts with the police in LA. He was looking for mathematical input on some of his problems and raised that issue with Andrea Bertozzi. Her postdoc George Mohler came up with the idea to adapt an earthquake model after a discussion with Frederic Paik Schoenberg, a world expert in that field working at UCLA. The idea is to model crimes of opportunity as being triggered by crimes that already happend. So the likelihood of new crimes can be predicted as an excitation in space and time like the shock of an earthquake. Of course, here statistical models are necessary which say how the excitement is distributed and decays in space and time. Mathematically this is a self-exciting point process. The traditional Poisson process model has a single parameter and thus, no memory - i.e. no connections to other events can be modelled. The Hawkes process builds on the Poisson process as background noise but adds new events which then are triggering events according to an excitation rate and the exponential decay of excitation over time. This is a memory effect based on actual events (not only on a likelihood) and a three parameter model. It is not too difficult to process field data, fit data to that model and make an extrapolation in time. Meanwhile the results of that idea work really well in the field. Results of field trials both in the UK and US have just been published and there is a commercial product available providing services to the police. In addition to coming up with useful ideas and having an interdisciplinary group of people committed to make them work it was necessery to find funding in order to support students to work on that topic. The first grant came from the National Science Foundation and from this time on the group included George Tita (UC Irvine) a criminology expert in LA-Gangs and Lincoln Chayes as another mathematician in the team. The practical implementation of this crime prevention method for the police is as follows: Before the policemen go out on a shift they ususally meet to divide their teams over the area they are serving. The teams take the crime prediction for that shift which is calculated by the computer model on the basis of whatever data is available up to shift. According to expected spots of crimes they especially assign teams to monitor those areas more closely. After introducing this method in the police work in Santa Cruz (California) police observed a significant reduction of 27% in crime. Of course this is a wonderful success story. Another success story involves the career development of the students and postdocs who now have permanent positions. Since this was the first group in the US to bring mathematics to police work this opened a lot of doors for young people involved. Another interesting topic in the context of Mathematics and crime are gang crime data. As for the the crime prediction model the attack of one gang on a rival gang usually triggers another event soon afterwards. A well chosen group of undergraduates already is mathematically educated enough to study the temporary distribution of gang related crime in LA with 30 street gangs and a complex net of enemies. We are speaking about hundreds of crimes in one year related to the activity of gangs. The mathematical tool which proved to be useful was a maximum liklihood penalization model again for the Hawkes process applied on the expected retaliatory behaviour. A more complex problem, which was treated in a PhD-thesis, is to single out gangs which would be probably responsable fo

This is another conversation Gudrun had during the British Applied Mathematics Colloquium which took place 5th – 8th April 2016 in Oxford. Since 2002 Anette Hosoi has been Professor of Mechanical Engineering at MIT (in Cambridge, Massachusetts). She is also a member of the Mathematical Faculty at MIT. After undergraduate education in Princeton she changed to Chicago for a Master's and her PhD in physics. Anette Hosoi wanted to do fluid dynamics even before she had any course on that topic. Then she started to work as Assistant Professor at MIT where everyone wanted to build robots. So she had to find an intersection between fluid and roboters. Her first project were Robo-snailes with her student Brian Chan. Snails move using a thin film of fluid under their foot (and muscles). Since then she has been working on the fascinating boundary of flow and biomechanics. At the BAM Colloquium she was invited for a plenary lecture on "Marine Mammals and Fluid Rectifiers: The Hydrodynamics of Hairy Surfaces". It started with a video of Boston dynamics which showed the terrific abilities some human-like robots have today. Nevertheless, these robots are rigid systems with a finite number of degrees of freedom. Anette Hosoi is working in control and fluid mechanics and got interested in soft systems in the context of robots of a new type. Soft systems are a completely new way to construct robots and for that one has to rethink everything from the bottom up.You are a dreamer she was told for that more than once. For example Octopuses (and snails) move completely different to us and most animals the classcallly designed robots with two, four or more legs copy. At the moment the investigation of those motions is partially triggered by the plausible visualization in computer games and in animated movie sequences. A prominent example for that is the contribution of two mathematicians at UCLA to represent all interactions with snow in the animated movie Frozen. The short verison of their task was to get the physics right when snow falls off trees or people fall into snow - otherwise it just doesn't look right. To operate robots which are not built with mechanical devices but use properties of fluids to move one needs valves and pumps to control flow. They should be cheap and efficient and without any moving parts (since moving parts cause problems). A first famous example for such component is a fluid rectifier which was patented by Nicola Tesla in the 1920ies. His device relied on inertia. But in the small devices as necessary for the new robots there are no inertia. For that Anette Hosoi and her group need to implement new mechnisms. A promising effect is elasticity - especially in channels. Or putting hair on the boundary of channels. Hair can cause asymmetric behaviour in the system. In one direction it bends easily with the flow while in the opposite direction it might hinder flow. While trying to come up with clever ideas for the new type of robots the group found a topic which is present (almost) everywhere in biology - which means a gold mine for research and open questions. Of course hair is interacting with the flow and not just a rigid boundary and one has to admit that in real life applications the related flow area usually is not small (i.e. not negligible in modelling and computations). Mathematically spoken, the model needs a change in the results for the boundary layer. This is clear from the observations and the sought after applications. But it is clear from the mathematical model as well. At the moment they are able to treat the case of low Reynolds number and the linear Stokes equation which of course, is a simplification. But for that case the new boundary conditions are not too complicated and can be treated similar as for porous media (i.e. one has to find an effective permeability). Fortunately even analytic solutions could be calculated. As next steps it would be very interesting to model plunging hairy surfaces into fluids or withdrawing hairy surfaces from fluids (which is even more difficult). This would have a lot of interesting applications and a first question could be to find optimal hair arrangements. This would mean to copy tricks of bat tongues like people at Brown University are doing. References I. E. Block Community Lecture: Razor Clams to Robots: The Mathematics Behind Biologically Inspired Design , A. Hosoi at SIAM Annual meeting, 2013. B. Chan, N.J. Balmforth and A.E. Hosoi: Building a better snail: Lubrication and adhesive locomotion, Phys. Fluids, 17, 113101, 2005.

Vojtěch Cvrček ist im Herbst 2013 als Erasmusstudent von der CTU in Prag nach Karlsruhe ans KIT entsandt worden. Er hatte schon in der Grundschule Deutsch gelernt und wollte seine Sprachkenntnisse direkt in Deutschland verbessern. Deshalb wollte er auch ein ganzes Jahr bleiben (nicht nur ein Semester). Das bedeutete insbesondere, dass er die Einarbeitung in seine Masterarbeit schon in Karlsruhe beginnen müsste und deshalb ein Thema und ein Betreuerteam finden müsste, dass dies ermöglicht. Seine deutsche Wunschstadt war eigentlich Berlin - wegen der räumlichen Nähe zur Prag und weil ihm die Stadt gut gefiel. Leider gab es im Rahmen des Erasmusprogrammes aber keine Möglichkeit für ihn, dort sein Mathematikstudium fortzuführen. Infrage kamen dafür nur die TU Hamburg, TU Darmstadt und das KIT in Karlsruhe. Unter seinen Professoren und Mitstudenten in Prag war das KIT in Karlsruhe nicht gut bekannt, aber ein ordentlicher Fußballverein war in seinen Augen ein Pluspunkt für Karlsruhe. Nach der Entscheidung für Karlsruhe suchte er nach persönlichen Ansprechpartnern. Er fand die Projekte von Matthias Krause im Internet und ihn begeisterte insbesondere die dort vorgestellte Zusammenarbeit der Mathematik mit dem studentischen Projekt KAraceing. Deshalb schrieb er Matthias Krause eine e-mail und stellte sich als künftiger Erasmusstudent vor, der den einen oder anderen Rat einholen wollen würde. Er fand ein offenes Ohr und geeignete Lehrveranstaltungen wurden entsprechend seinen Zielen für das Jahr in Karlsruhe zusammengestellt. Für die Zeit in Karlsruhe und darüber hinaus hatte er damit einen Mentor, der ihn schließlich auch in seine Arbeitsgruppe integriert hat. Vojtěch Cvrček wurde studentische Hilfskraft und unterstützte Matthias Krause zunächst in der Lehre bis er in der Lage war, das Softwareprojekt OpenLB mit weiter zu entwickeln. Die Gruppenmeetings des Teams um OpenLB gehörten selbstverständlich zu seiner Arbeit und der Austausch in der Gruppe war dadurch sehr intensiv. Deshalb sieht Vojtěch Cvrček das Jahr in Karlsruhe als das beste Jahr in seinem Studium an. Er hat hier sehr viel gelernt und tolle Unterstützung durch Mitstudierende gefunden. Als Vorlesungen entschied er sich für Mathematische Modellbildung und Simulation in der Praxis, Partielle Differentialgleichungen, das Projektorientierte Praktikum, Inverse Probleme und Paralleles Rechnen. Anschließend stand die Vorbereitung der Masterarbeit zum Thema Mischung von nichtnewtonschen Fluiden im Vordergrund. Nichtnewtonsche Fluide finden sich überall, z.B. auch in der Medizin (hier vor allem das Fluid Blut). Seine Professor in Prag hat schon lange Beziehung zum Institut für experimentelle Medizin, deshalb war dieses Thema für beide Seiten (Karlsruhe und Prag) sehr interessant. Seine Vorkenntnisse und der Wunsch, die deutschen Sprache wirklich zu sprechen, erwiesen sich als Vorteil, weil Vojtěch Cvrček so leichter Kontakte knüpfen konnte zu den deutschen Studierenden und Mitarbeitern. Nach einer Anfangszeit mit einer Unterkunft am Stadtrand von Karlsruhe konnte er im Studentenwohnheim HaDiKo (kurz für Hans-Dickmann-Kolleg) einziehen, was einem reichhaltiges sozialen Leben zur Folge hatte und auch vielen Kontakten zu nicht-Mathematikern. Nach erfolgreichem Abschluss des Studiums in Prag wollte er gern in Deutschland eine Arbeit als Ingenieur finden. Dafür hat er auch die Karrieremessen des KIT genutzt, um direkt Kontakt zu Firmen zu knüpfen. Das hat schließlich dazu geführt, dass er sogar die Wahl zwischen verschiedenen Angeboten hatte. Er wird nun als Mathematiker im Maschinenbau tätig sein in der Nähe von Karlsruhe. Referenzen: OpenLB Open source lattice Boltzmann code I. Wayand: Palo Alto, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 106, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. H. Wilson: Viscoelastic Fluids, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 92, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.

Isabell Wayand ist eine Studentin im Masterstudiengang Mathematik am KIT. Sie hat an verschiedene Lehrveranstaltungen in der angewandten Mathematik teilgenommen, deren Dozentin Gudrun war. Anlass des Podcast-Gespräches war ein 6-monatiges Praktikum, dass Frau Wayand kürzlich bei der Firma Bosch am Sitz in Palo Alto im US-Bundesstaat Kalifornien absolviert hat. In der Arbeitsgruppe in der Frau Wayand beschäftigt war, wird Software entwickelt, die Einspritzsysteme simulieren kann, d.h. es geht um die Nachbildung komplizierter physikalischer Vorgänge in denen die Strömung eines Benzin bzw. Diesel-Luft-Gemisches und das erzeugte Spray in einer komplexen Geometrie interagieren. Ihre Aufgabe bestand darin, die dort benutzte Implementierung von Zustandsgleichungen in der Strömungssimulation zu verbessern. Ein konkreter Teilaspekt dabei war, wie unter Kenntnis von Dichte und Temperatur der zugehörige Druck berechnet wird. Die vorhandene Implementierung sollte deutlich beschleunigt werden und die Fluid-Eigenschaften realistischer. Der hierfür gewählte Weg war schließlich, die Zustandsgleichung als Tabelle von Tripeln zu hinterlegen. Das führte auf Tabellen mit mehreren 100.000 bis einige Millionen abgespeicherten Zuständen (als Triple von Dichte, Temperatur und Druck). Selbst das ist noch nicht genau genug für alle Berechnungen, weshalb für Zwischenwerte noch interpoliert werden muss. Durch die großen Tabellen (bzw. die vielen hinterlegten Werte) sind die so zu überbrückenden Lücken jedoch klein genug, dass eine einfache lineare Interpolation ausreicht. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist die Organisation der Tabellen, um einen schnellen Zugriff auf das richtige Datentripel zu gewährleisten. Die Wahl war schließlich ein Octree, damit die Daten schnell gefunden werden können. Ein Grund sich für das Praktikum in Palo Alto zu bewerben, war Frau Wayands Wunsch im Studium schon Auslandserfahrung zu sammeln. Da sie ein Praktikum bei Bosch in Stuttgart mit guten Erfahrungen beendet hatte, kam es ihr sehr gelegen, dass es von dort die Beziehungen nach Palo Alto in die Themen der Strömungsrechnung gab. In Silikon Valley sind Arbeitsgruppen stets sehr international besetzt. In ihrer Gruppe waren es z.B. Mitarbeiter aus Indien, China, Korea und Frankreich, neben nur einem US-Amerikaner. So muss man natürlich kulturelle Unterschiede überbrücken. In Bezug auf die inhaltliche Arbeit war Frau Wayand sehr zufrieden. Sie bekam mehrfach Rückmeldung von ihrem Betreuer, nachdem sie ihren Arbeitsstand im Gruppen-Meeting vorgestellt hatte. Am Ende gab es ein Feedbackgespräch mit Personalabteilung und Betreuer (inkl. Arbeits-Zeugnis). Sie fühlte sich durch die Ausbildung in Karlsruhe gut auf die Aufgaben im Praktikum vorbereitet. Durch das Studentenbindungsprogramm bei Bosch wurde sie stark unterstützt. Das betraf finanzielle Hilfe als auch Hilfe bei den Formalitäten. Außerdem wurde in Palo Alto sogar eine Wohnung wurde gestellt, die sie mit einer anderen Praktikantin geteilt hat. Ihr Fazit nach der Herausforderung: Man sollte sich das durchaus zutrauen. Verwandte Podcast C.Straub: Injektoren, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 8, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2013. http://modellansatz.de/injektoren

Im Anschluss ihres Erasmus-Auslandsjahr in Lyon hat sich Alexandra Krause als angehende Physikerin in den Bereich der Quanteninformatik vertieft. Dazu hat sie im Rahmen der Gulasch Programmiernacht (GPN16) des Entropia e.V. in der Hochschule für Gestaltung und dem ZKM in Karlsruhe über Quantum Speedup (video) vorgetragen und Zeit gefunden, uns auch im Podcast etwas über das Thema zu erzählen. Im Gegensatz zur klassischen Physik gelten in der Quantenmechanik eigene Regeln: So geht es hier um Teilchen in der Größenordnung von Atomen, wo die Begriffe Teilchen und Welle verschwimmen und der quantenmechanische Zustand unbeobachtet nur noch als Zustandsgemisch beschrieben werden kann. Genau diese Eigenschaft will man sich beim Quantencomputer zu Nutze machen, wo gegenüber dem klassischen digitalen Computer, der immer auf einzelnen festen Zuständen in Bits mit Logikgattern rechnet, der Quantenrechner pro Schritt in Qubits auf allen Zuständen gleichzeitig operiert. Das eigentliche Ergebnis erhält man dort erst bei der Messung, wodurch sich der reine Zustand des Quantensystems einstellt. Der Grover-Algorithmus ist eine bekannte Anwendung für einen Quantencomputer, der Datenbanken schneller als klassische Verfahren durchsuchen kann. Der Shor-Algorithmus kann hingegen mit einer Quanten-Fouriertransformation in polynomialer Zeit Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen kann. Damit werden viele assymetrische Kryptoverfahren wie das RSA-Verfahren obsolet, da sie auf der Schwierigkeit der klassischen Faktorisierung basieren. Shor hat in der gleichen Publikation auch ein Verfahren zur effizienten Berechnung von diskreten Logarithmen auf Quantencomputern veröffentlicht, so dass auch Kryptoverfahren auf elliptischen Kurven durch Quantencomputer gebrochen werden, die neben dem RSA-Verfahren Basis für viele Kryptowährungen sind. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es der Experimentalphysik noch nicht gelungen, allgemeine Quantensysteme in einer Größe zu erschaffen, die für sinnvolle Anwendungen der Verfahren erforderlich wären. Die Schwierigkeit liegt darin, den Quantenzustand einzelner Qubits von der Umwelt abzukoppeln und nur für die Berechnung zu verwenden, wenn doch alles in der Umgebung in Bewegung ist. In der Größe weniger Qubits, die allgemeine Quantencomputer bisher erreichen konnten, wurden Zahlen wie 15 und 21 erfolgreich faktorisiert. Eine Hoffnung besteht hier auf dem adiabatischen Quantencomputer auf Basis adiabatischen Theorems, der von der Firma D-Wave Systems gebaut, und 2011 mit unvergleichlich vielen 128 Qubits auf den Markt gebracht wurde. Das Problem ist dabei, dass adiabatischen Quantencomputer im normalen Arbeitszustand keine universellen Quantencomputer sind, und hauptsächlich Optimierungsprobleme lösen können. Universelle Quantencomputer können im Circuit model anschaulich jedes herkömmliches Programm abbilden: Jedes klassische Logik-Gatter kann durch Hinzufügen weiterer Ausgänge reversibel werden, und dann als eine unitäre Abbildung oder Matrizen im Quantencomputer realisiert werden. Unitäre Abbildungen sind lineare Abbildungen mit der Eigenschaft, dass sie das komplexe Skalarprodukt zweier Vektoren nach der Abbildung erhalten, d.h. Vektoren behalten die gleiche Länge, und zwei Vektoren behalten den gleichen Winkel zueinander. Der Nachteil des reversiblen Ansatzes ist jedoch, dass dafür womöglich viele Bits benötigt werden, wenn man die Abbildungen nicht zuvor zusammenfassen kann. Theoretisch kann der adiabatische Quantencomputer auch universell sein, nur ist dazu ideal eine ungestörte Umgebung Voraussetzung, was in Realität nicht erreicht werden kann. Es verbleiben Optimierungsprobleme, die über den Hamiltonoperator abgebildet werden können: physikalische Prozesse möchten den energetisch niedrigsten Zustand zu erreichen. Ein Beispiel sind hier Minimalflächen, wie sie von Seifenhäuten und Seifenblasen angenommen werden- und auch zum Bau des Olympiageländes in München genutzt wurden. Im Schülerlabor für Mathematik in Karlsruhe kann man auch viele Experimente dazu durchführen. Wenn man ein Optimierungsproblem lösen möchte, so sind lokale Minima ein Problem- in ihrer Umgebung erscheinen sie als Lösung, sie sind es jedoch insgesamt betrachtet nicht. Eine Möglichkeit die lokalen Minima zu umgehen ist das Verfahren des Simulated Annealing. Hier wird durch externe Störquellen begünstigt, dass lokale Minima verlassen werden, um das globale Minimum zu erreichen. In Quantensystemen spielt hier beim Quantum Annealing zusätzlich der Tunneleffekt eine besondere Rolle, wodurch die Störung noch leichter von lokalen Minima hinweg streut. Dadurch ist das Quantum Annealing prinzipiell und aus der Theorie schneller- oder zumindest nicht langsamer- als das Simulated Annealing. Dabei ist das Quantum Annealing natürlich nur auf einem Quantencomputer effizient umsetzbar. Das ist dabei ein Beispiel für eine Quantensimulation auf einem Quantencomputer in dem Forschungsfeld, das sich mit der Abbildung und Simulation von Quantensystemen befa

Im Bundesland Baden-Württemberg (BW) ist die Ausbildung von Lehrerinnen und Lehrern für verschiedene Schulformen unterschiedlich geregelt. Für Lehrpersonen, die am Gymnasium Schülerinnen und Schüler bis zum Abitur begleiten wollen, ist die Ausbildung an den Universitäten vorgesehen, alle anderen erhalten ihre Ausbildung an den Pädagogischen Hochschulen (PH). Auch an unsere Fakultät kommen Studierende mit dem Ziel, später an Gymnasien Mathematik zu vermitteln. Es ist deshalb höchste Zeit, auch einmal über die Lehramtsausbildung an unserer Fakultät zu reden. Andreas Kirsch begleitet die Organisation der Lehramtsstudiengänge schon viele Jahre und war deshalb Gudruns Wunsch-Gesprächspartner zu diesem Thema. Prinzipiell müssen Lehramtskandidaten mindestens zwei Fächer studieren, weshalb ihre Ausbildung (und ihr Abschluss) nur zum Teil in den Händen unserer Fakultät liegen kann. Generell ist der Lehramtsstudiengang deshalb auch durch eine Ordnung geregelt, die für das ganze KIT (alle Fakultäten) gilt und sich an klaren Vorgaben des BW-Kultusministeriums orientieren muss. Hier wird dann auch festgelegt, wie groß der Anteil von pädagogischen/psychologischen Veranstaltungen ist, der neben den beiden Fachstudien-Anteilen absolviert werden muss. Viele Jahrzehnte war die Gymnasial-Lehramts-Ausbildung in BW an den Universitäten so geregelt, dass in den ersten Jahren das Studium Diplom und Lehramt Mathematik quasi identisch waren - und das in zwei Fächern. Die Idee dahinter war, dass Personen, die das Bild von Mathematik in den Köpfen unserer Kinder prägen, selbst kompetente Mathematiker und darüber hinaus von ihrem Fach begeistert sind. Das Lehramtsstudium endete mit dem ersten Staatsexamen und wurde über eine anschließende Schulpraxis-orientierte Ausbildung im Referendariat fortgesetzt, die mit dem zweiten Staatsexamen beendet wurde. Vor Ablegen des ersten Staatsexamens war auch das Anfertigen einer wissenschaftlichen Arbeit in einem der Unterrichtsfächer oder in Pädagogik verpflichtend. Schon immer gehörte zur Lehramtsausbildung auch die Vermittlung von Didaktik im Fach Mathematik. Da es in BW keine Professuren für Didaktik der Mathematik an den Universitäten gibt, wurden und werden für diese Veranstaltungen häufig Gastdozenten gewonnen. Seit 2008 änderte sich diese traditionelle Lehrerbildung an den Universitäten in BW Stück für Stück in verschiedenen Aspekten grundlegend. Zunächst wurde der Anteil der Fachdidaktik sehr stark erhöht (was zwangsläufig bedeutet, dass sich der wissenschaftliche Anteil im Faches verringerte, da das Studium nicht verlängert wurde) - inklusive eines verpflichtenden Praxis-Semesters von 13 (inzwischen 12) Wochen an einer Schule. Mit Hilfe dieses Praktikums können angehende Lehrpersonen rechtzeitig ausprobieren, ob der Schulalltag "etwas für sie ist". Etwas später wurden die Lehrinhalte in sogenannte Module gegliedert, die in der Regel schon im Verlauf des Studiums (nach Absolvieren des Moduls) geprüft werden. Damit wurde die Rolle des ersten Staatsexamens gründlich verändert. Seit dem Studienbeginn im Wintersemester 2015/16 ist der Studiengang aufgeteilt in einen ersten Teil, dem Bachelor of Education, und einen zweiten Teil,der zum Abschluss Master of Education führt. Der Masterabschluss hat dabei das erste Staatsexamen vollständig abgelöst. Wenn man heute den wissenschaftlichen Mathematik-Anteil des Studiums Lehramt Mathematik anschaut, ist er etwa so hoch wie in den Bachelor-Studiengängen Mathematik. In Karlsruhe haben wir einige dieser Veränderungen in der Lehramts-Ausbildung dadurch aufgefangen, dass die Abteilung für Didaktik vergrößert wurde und sehr erfinderisch neuartige fachdidaktische Angebote entwickelte (und entwickelt), die nicht nur den Studierenden etwas bringen. In enger Zusammenarbeit mit den Schulen in Karlsruhe und dem Schülerlabor können bei uns angehende Lehrpersonen z.B. mit besonders interessierten Schülern arbeiten oder anhand von Projekten im Schülerlabor Unterricht in sehr unterschiedlichen Formen entwickeln und erproben. Es wurden außerdem einige speziell für die Lehramtsstudierenden konzipierte Vorlesungen eingeführt. Andreas Kirsch ist seit vielen Jahren als Professor an der Fakultät für Mathematik in Karlsruhe tätig. Zu den Aufgaben der von ihm geleiteten Arbeitsgruppe gehört die Mathematikausbildung von Maschinenbauern, Bauingenieuren, Verfahrenstechnikern und den angehenden Ingenieuren in verwandten Gebieten. Sein mathematisches Spezialgebiet sind inverse Probleme. Das ist ein sehr komplexes Gebiet zwischen Analysis und Numerik mit vielen Anwendungen. Einige dieser Anwendungen waren auch schon Gesprächsthema in unserem Podcast: Unsichtbarkeit, Erdölsuche, Erdbeben und Optimale Versuchsplanung, Splitting Waves. Literatur und weiterführende Informationen Antworten auf oft gestellte Fragen rund ums Lehramtsstudium in Karlsruhe Studienberatung am KIT und in der Fakultät zum Lehramtsstudium Zentrum für Lehrerbildung am KIT Lehrer online in BW Landes Bildungsserve