Rechnergestützte Forschungsmethoden in der Naturwissenschaft

Neben den klassischen Bereichen Theorie und Experiment entwickeln sich numerische Simulationen zu einem dritten Standbein naturwissenschaftlicher Forschung. Da die Komplexität der Zusammenhänge, z.B. in der Meteorologie, Genomforschung oder bei der Wechselwirkung einzelner Moleküle, nicht immer mit einem Versuchsaufbau abgebildet werden kann, greift moderne naturwissenschaftliche Forschung vermehrt auf Simulationstechniken der Informatik und Mathematik zurück. Deren Weiterentwicklung steht im Mittelpunkt des Schwerpunktes "Rechnergestützte Forschungsmethoden in der Naturwissenschaft".

Gerade bei komplexen Systemen sind eine angepasste Formulierung der Problemstellung, der Entwurf geeigneter Approximationen und Algorithmen sowie die Entwicklung und Handhabung dazu passender Hochleistungs-Rechnerarchitekturen von zentraler Bedeutung. Hinzu kommt der Umgang mit großen, auf den ersten Blick oft unstrukturierten Datenmengen sowie die Visualisierung und Interpretation der erzielten Ergebnisse. Ziel des Forschungsschwerpunktes ist daher die Förderung entsprechender Projekte im Spannungsfeld zwischen Informatik und Mathematik auf der einen Seite und Physik, Chemie, Geowissenschaften und Biologie auf der anderen Seite.

So leisten die Naturwissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der beiden Max-Planck-Institute für Chemie und Polymerforschung mit ihren Simulationen zur theoretischen Interpretation der experimentellen Resultate einen wichtigen Beitrag auf dem Gebiet rechnergestützter Forschung. Angesichts des rapiden Fortschritts der Wissenschaft auf diesem Gebiet ist allerdings eine methodische Weiterentwicklung der Simulationstechniken nötig, die eine Zusammenarbeit mit Informatikern und numerischen Mathematikern zwingend erfordert, etwa um Supercomputer-Architekturen wie in Jülich nutzbringend einsetzen zu können. Nur durch diese interdisziplinäre Zusammenarbeit ist gewährt, dass Mainzer Arbeitsgruppen ihre führende Stellung auf diesem Gebiet halten können.

Die Themen, die im Rahmen rechnergestützter Forschung untersucht werden, kommen aus der Kern- und Teilchenphysik, der Chemie und der Theorie kondensierter Materie, der Genomforschung und der Populationsbiologie, der Meteorologie und den Erdsystemwissenschaften; beispielsweise bei der Klimaforschung (Physik der Wolkenbildung), der Erdbebenvorhersage (Verhalten von Silikaten unter hohen Drücken) oder der Entwicklung neuartiger Kunststoffe (Modellierung synthetischer Polymere). In all diesen Bereichen profitieren die Wissenschaftler von rechnergestützten Verfahren. Darüber hinaus richtet sich der Fokus auf  grundlegende Fragestellungen zu numerischen Simulationen sowie auf die wissenschaftliche Weiterentwicklung von Software und Hardware, die in Mathematik und Informatik Forschungsgegenstand sind.