Universität Kassel und HZB gründen Joint Lab zur Nutzung künstlicher Intelligenz
Blick in die Experimentierhalle von BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin. An zirka 50 Strahlrohren führen Forschende Experimente durch. Diese Daten mithilfe von künstlicher Intelligenz effizienter auszuwerten, ist Ziel der Kooperation zwischen Universität Kassel und dem HZB. © HZB/M. Setzpfand
Die Universität Kassel und das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) richten ein gemeinsames Labor für die Nutzung künstlicher Intelligenz ein, um neue experimentelle Methoden weiterzuentwickeln und die Datenauswertung von Experimenten an BESSY II deutlich zu verbessern.
Jedes Jahr kommen fast 3000 Nutzergruppen aus der ganzen Welt an den Elektronenspeicherring BESSY II, um verschiedenste Materialien mit dem brillanten Röntgenlicht zu untersuchen. „Bei der Erforschung aktueller wissenschaftlicher Fragestellungen, beispielsweise an BESSY II, fallen derart viele Daten an, dass sie mit herkömmlichen Analyseprogrammen nur noch schwer ausgewertet werden können. Im Joint Lab werden dafür Methoden der künstlichen Intelligenz entwickelt und eingesetzt. Diese Methoden sollen es darüber hinaus ermöglichen, auch in anderen naturwissenschaftlich-technischen Bereichen völlig neue Versuchsszenarien zu denken, die in der Vergangenheit als nicht auswertbar erschienen“, sagt Prof. Dr. Arno Ehresmann. Er ist Vizepräsident an der Universität Kassel und dort unter anderem zuständig für den Bereich Forschungsförderung.
Das HZB und die Universität Kassel haben kürzlich einen Kooperationsvertrag zum Aufbau des Joint Lab „Artificial Intelligence Methods for Experiment Design (AIM-ED)“, geschlossen. Ein Joint Lab ist eine in der Helmholtz-Gemeinschaft etablierte, mittel- bis langfristig angelegte Kooperationsform mit Universitäten. „Wir freuen uns, dass wir die Expertisen der Universität Kassel und des Helmholtz-Zentrums Berlin in der künstlichen Intelligenz zusammenführen können, um gemeinsam an wegweisenden Fragestellungen zu arbeiten“, schildert Prof. Ehresmann.
So wird sich das Kasseler Institut für Informationstechnik-Gestaltung (ITeG) an dem Joint Lab beteiligen. „Auch mehrere besonders forschungsstarke Arbeitsgruppen der Physik werden sich mit der Anwendung von KI-Methoden zum Design, zur Auswertung oder Optimierung von Experimenten beschäftigen, unter anderem im Rahmen eines DFG-Sonderforschungsbereichs“, sagt Prof. Ehresmann. Ebenfalls beteiligt sein wird das Fachgebiet Intelligent Embedded Systems unter der Leitung von Prof. Dr. Bernhard Sick, der sich seit langem intensiv mit Fragen des maschinellen Lernens und der Künstlichen Intelligenz beschäftigt.
Durch das neugegründete Joint Lab gebe es viele Synergieeffekte, betont auch Dr. Gregor Hartmann, betreuender Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin. „Bei den Experimenten an BESSY II entstehen immense Datenmengen, wobei neben der Größe der Daten insbesondere die Komplexität und das Verständnis ihrer Entstehung entscheidend für eine gute Auswertung sind.“ Das HZB hat viel Expertise in der Strahlrohr-Entwicklung, während die Arbeitsgruppe von Prof. Ehresmann die Sicht als langjähriger BESSY II-Nutzer und Detektor-Know-how einbringt. Die breitgefächerten Methoden der künstlichen Intelligenz, die Prof. Bernhard Sicks Team abdecke, ermöglichen eine bestmögliche Auswertung der Daten. „Ich freue mich sehr auf die intensive und spannende Zusammenarbeit im Rahmen des JointLab“, sagt Hartmann.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.