Vernetzte Forschungsdateninfrastruktur für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

Werkstoffe 05. 09. 2021
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Fünf Jahre Förderung für Forschungskonsortium NFDI-MatWerk

Um die enorme Herausforderung des Aufbaus einer gemeinsamen Nationalen Forschungsdateninfrastruktur NFDI zu gestalten, arbeiten deutschlandweit Forschungsbereiche in fachspezifischen Konsortien zusammen. Als eines von zehn Konsortien erhält NFDI-MatWerk jetzt eine fünfjährige Förderung der Gemeinsamen Wissenschaftskonferenz GWK, für die Infrastrukturentwicklung eines gemeinsamen Material-Forschungsdatenraums. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM ist Sprecher dieses Konsortiums, an dem auch das Max-Planck-Institut für Eisenforschung MPIE beteiligt ist. Zusammen mit zehn weiteren Antragsstellenden und 15 assoziierten Institutionen, treiben die Forschenden die Digitalisierung der Materialforschung voran.

Die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz GWK beschloss am 2. Juli diese Jahres die Förderung von NFDI-MatWerk mit mehreren Millionen Euro. Sie folgte damit der Empfehlung des NFDI-Expertengremiums und der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG. Die Förderung für NFDI-MatWerk geht von Oktober 2021 bis September 2026. Insgesamt hatten sich in dieser zweiten Ausschreibungsrunde für die Nationale Forschungsdateninfrastruktur NFDI 18 Konsortien in einem kompetitiven Verfahren um die Förderung verschiedener wissenschaftlicher Bereiche beworben, von denen zehn zur Förderung empfohlen wurden.

Um maßgeschneiderte Materialien für komplexe Technologien zu entwickeln und dabei die heterogene innere Struktur von Materialen vollständig zu berücksichtigen, bedarf es einer engen Verzahnung verschiedener Disziplinen innerhalb der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie darüber hinaus, erklärt Dr. Tilmann Hickel, Forschungsgruppenleiter in der Abteilung Computergestütztes Materialdesign am MPIE und Co-Sprecher im Konsortium NFDI-MatWerk Damit die Forscher und Forscherinnen dieser Disziplinen zusammenarbeiten könnten, sei eine gemeinsame nationale Forschungsdaten­infrastruktur unerlässlich. Nur so könnten Forschungsergebnisse und die Tools, mit denen diese erzeugt wurden, ohne viel Aufwand ausgetauscht, zusammengeführt und veröffentlicht werden.

Werkstoffe – ­Grundlage ­unseres modernen Lebens

Die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik hat zum Ziel, die physikalischen Mechanismen in Materialien zu charakterisieren und ressourcenschonende Hochleistungswerkstoffe mit möglichst idealen Eigenschaften für die jeweilige Anwendung zu entwickeln. Herstellungsprozesse werden dementsprechend untersucht und so gestaltet, dass Werkstoffe und daraus hergestellte Bauteile und Systeme die nötige Lebensdauer und bestmögliche Wiederverwertbarkeit haben. Hier optimieren Expertinnen und Experten von der atomaren Skala bis hin zu der Makro- oder Bauteilskala. Bearbeitungsschritte beeinflussen auf den verschiedenen Skalen die innere Materialstruktur und bestimmen damit die mechanischen und funktionellen Eigenschaften. Die Forschungsgruppen nutzen für ihre durch Experimente und Simulationen erarbeiteten Daten heute jeweils noch eigene Werkzeuge und Standards zur Datenverarbeitung und -speicherung.

MatWerk-Community ­entwickelt eine gemeinsam ­nutzbare ­Forschungsdateninfrastruktur

Viele exzellente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben nach Aussage von Prof. Jörg Neugebauer, Direktor der MPIE-Abteilung Computergestütztes Materialdesign, bereits Werkzeuge und Standards entwickelt, die sie in ihrer jeweiligen Forschungsgruppe nutzen. Anstatt nun wie bisher parallel an ähnlichen Herausforderungen zu arbeiten, möchten wir im NFDI-MatWerk eine Infrastruktur entwickeln, die so leicht zugänglich und vernetzt ist, dass in Zukunft der erste Schritt vor der Untersuchung einer neuen Materialeigenschaft, das Ausführen von Werkzeugen in Programmbibliotheken ist, erklärt Prof. Neugebauer. Durch NFDI-MatWerk könne Forschung im Bereich der Materialwissenschaft zukünftig erheblich effizienter sein.

Der angestrebte digitale Datenraum NFDI-MatWerk muss die verschiedenen hochkomplexen Zusammenhänge zwischen den unterschiedlichen Materialdaten abbilden können und möglichst unkompliziert nutzbar sein, um Synergieeffekte entfalten zu können. Über Deutschland verteilte Daten aus den wissenschaftlichen Gruppen sollen über eine sogenannte wissensgraphbasierte Infra­struktur so angesprochen werden können, dass schnelle, komplexe Suchanfragen und Auswertungen möglich werden. Eine solche technische Errungenschaft wird auch eine hervorragende Basis für Künstliche Intelligenz der nächsten Generation im Bereich der Werkstofftechnik bieten.

Konsortium deckt Großteil der MatWerk-Community Deutschlands ab

Das vom Fraunhofer IWM koordinierte Konsortium NFDI-MatWerk besteht aus Expertinnen und Experten des Bereichs Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Die antragstellenden Einrichtungen sind:

  • Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI)
  • FIZ Karlsruhe – Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH
  • Forschungszentrum Jülich GmbH
  • Fraunhofer-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
  • Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-
    Nürnberg
  • Karlsruher Institut für Technologie KIT
  • Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
  • RWTH Aachen
  • Technische Universität Bergakademie Freiberg
  • Universität des Saarlandes

Die assoziierten Einrichtungen sind:

  • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
  • Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. (DGM)
  • Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. (DVM)
  • Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik e.V. (GAMM)
  • Helmholtz-Zentrum hereon
  • Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT
  • Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin (PTB)
  • Ruhr-Universität Bochum
  • Technische Universität Clausthal-Zellerfeld
  • Technische Universität Darmstadt
  • Technische Universität Kaiserslautern
  • Universität Paderborn
  • Universität Stuttgart

Das Max-Planck-Institut für Eisenforschung bringt sich insbesondere mit seiner Expertise in der digitalen Repräsentation von Arbeitsabläufen bei der Simulation von Materialien und in der Software-Entwicklung ein. In einer TaskArea zu diesem Thema werden der Austausch und die semantische Beschreibung von Daten gemeinsam mit den dazugehörigen Metadaten und Workflows in einer digitalen Umgebung für Materialien voran­getrieben. Dies soll den Nutzen von Forschungsergebnissen noch lange Zeit nach Beendigung eines Forschungsprojekts sicherstellen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde am MPIE die Integrierte Entwicklungsumgebung für Simulationsworkflows pyiron (pyiron.org) geschaffen, die für die Erfordernisse der NFDI kontinuierlich weiterent­wickelt wird.

Text zum Titelbild: NFDI-MatWerk will dezentrale Expertisen durch eine einheitliche Datensprache und standardisierte Schnittstellen integrierbar machen. So können Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen zukünftig zeit- und ortsunabhängig zusammenarbeiten und neuartige Erkenntnisse erzeugen (© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM)

 

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