Neu an der Uni: Prof. Tim Ricken

„Wir bilden die Realität ab, vereinfachen sie und versuchen, das Ganze mit unseren eigenen Vorstellungsvermögen zu fassen. Denn das Universum kann man nicht verstehen, aber man kann sich ein Modell davon machen“, beschreibt Prof. Tim Ricken die umfassende Arbeit an seinem Institut. Seit August leitet er das Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen.

Ricken studierte in seiner Geburtsstadt Essen und hatte später hier die Juniorprofessur für Computational Mechanics inne. Der Studiengang der rechnerbasierten Mechanik war in Anlehnung an das in Stuttgart stattfindende COMMAS Programm (Computational Mechanics of Materials and Structures) gegründet worden. „Prof. Jörg Schröder, der aus Stuttgart kam, war mein Kollege an der Universität Duisburg-Essen. Bei ihm wurde meine Professur angegliedert“, berichtet Ricken. Nach einigen Jahren in Dortmund, wo Ricken die Professur Mechanik Statik Dynamik bekleidete, kam der Ruf nach Stuttgart. Sechs Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler, Doktoranden und Postdoktoranden, begleiteten ihn an die Universität Stuttgart. „Wir sind eine gute Truppe, und ich bin gespannt, was uns in Stuttgart alles erwartet.“ Von Hause aus ist der Wissenschaftler Bauingenieur, also eher bodenverhaftet. Doch ob Boden oder Luft, die Aufgabengebiete gleichen sich.

Für Stuttgart hat Ricken neue Themenschwerpunkte für die Forschung im Gepäck. Ein großes Thema weltweit, das aber in Stuttgart ganz besonders ausgeprägt ist, sind datengetriebene Modellierungen. Dieser neue Ansatz wurde erst durch größere Rechenleistungen möglich. „Früher brauchte man ein Modell, in das wir vorne Parameter als Randbedingungen reinsteckten, beispielsweise Anfangsgeschwindigkeit und Temperatur. Diese Modellgleichung lieferte ein Ergebnis “, erzählt Ricken. „Das ist aber nicht die Erfahrung, die ein Mensch macht. Steht man vor einem Ball mit dem Ziel, ihn ins Tor zu schießen, geht er vielleicht dreimal rein und fünfmal daneben. Es muss also eine Komponente geben, die das beeinflusst. Das ist die Unschärfe.“ Unschärfen, so der leidenschaftliche Mechaniker weiter, können klassische deterministische Modelle nicht beschreiben. „Ich kann das aber alles fassen, wenn ich stochastische und andere Techniken, beispielsweise Fuzzy oder Possibility, in mein Modell einfließen lasse.“

Big Data kommen auch an seinem Institut ins Spiel. Nämlich dann, wenn man nicht wisse, was eigentlich passiert. Bei diesem Ansatz soll das Modell aus den Daten entstehen. Ricken über den Umgang mit Milliarden von Daten: „Ich mache mir also vorher keine Gedanken über irgendwelche Grundannahmen, erstelle keine Gleichung. Stattdessen schaue ich mir zigtausend Mal an, was geschieht und kann das mit weiteren Gegebenheiten korrelieren, die mir zum Versuch einfallen. Aus den Daten selbst versucht der Computer dann Muster zu erkennen. Das nennt man dann maschinelles Lernen.“ Die Herausforderung sieht er darin, beide Ansätze zu kombinieren – das vorhandene Wissen und das Wissen, das sich aus den gesammelten Datenmassen herausholen lässt.

„Die Kontinuumsmechanik ist das Kerngeschäft der Mechanik, wonach ich physikalische Prozesse auf einer räumlichen Skala, zum Beispiel im Zentimeterbereich, beschreiben kann“, erläutert Ricken. Während es früher um die reine, meist einskalige Modellierung ging, lautet der Ansatz jetzt: Wie komme ich vom Atom zum kontinuumsmechanischen Modell. Die Idee dahinter: Wenn man weiß, wie das Atom oder Kristall einer bestimmten Materie aufgebaut ist, lässt dieses Wissen Rückschlüsse auf das Verhalten des Gegenstandes zu. „Wenn es mir also möglich wäre, vom Atom auf die Gesamteigenschaft des Materials zu schließen, könnte ich die Verfahrensweise auch umdrehen. Ich könnte sagen: Ich möchte bestimmte Eigenschaften haben, wie müssen dafür die Atome und deren Zusammensetzung aussehen“, formuliert Ricken die Erwartungen an seine Forschung.   

„Ein virtuelles Labor ist meine Vision, an dem meine Mitarbeiter und ich schon lange arbeiten. Wir wollen damit nicht nur beschreibend tätig sein. Denn wenn wir wissen, welche Anforderungen wir haben und wie alle Skalen unter dem Atom funktionieren, dann können wir das Ganze auch designen“, schwärmt der kreative Wissenschaftler.

Leider aber führt kein direkter Weg vom Atom zur kontinuumsmechanischen Ebene. Vielmehr sind viele Schritte und Skalen dazwischen. Ricken: „Hinzu kommt eine unterschiedliche Physik – auf den Makroskalen herrscht im Wesentlichen die Newton’sche Physik, im Bereich der Atome dagegen gelten die Gesetzmäßigkeiten der Molekulardynamik.“ Diese Skalen will er mit seinen Forschungen am Institut nun versuchen zu überbrücken. „Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt in der Materialbeschreibung“, so der neu nach Stuttgart berufene Prof. Tim Ricken.

Wenn es Tim Ricken nicht in der Luftfahrt umtreibt, kann es gut sein, dass man den Forscher in der Antarktis findet. Dort nämlich betreibt er Klimaforschung. Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes der TU Dortmund und der University of Cape Town will er wissen, wie sich das Planktonwachstum und der Planktonbestand verändern. „Dafür versuchen wir ein Modell zu entwickeln.“