Schlagwort: FIAS

Preis für Hochleistungs-Rechnen an Dr. Luciano Rezzolla

Luciano Rezzolla, FIAS Senior Fellow, erhält den mit 20.000 Euro dotierten PRACE HPC Excellence Award 2024 für seinen Beitrag zu Bildern supermassereicher Schwarzer Löcher

FIAS Senior Fellow für Bilder vom Schwarzen Loch ausgezeichnet

Am 05.02.2025 erhält Herr Dr. Luciano Rezzolla, Senior Fellow am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und Professor für »Theoretische Astrophysik« an der Goethe-Universität Frankfurt, den PRACE HPC Excellence Award 2024. Der Preis würdigt bahnbrechende Forschungen und wissenschaftliche Fortschritte durch den Einsatz von Hochleistungsrechnern (high-performance computing, HPC).

Herr Dr. Rezzolla und sein Team waren an den ersten Bildern supermassereicher »Schwarzer Löcher« beteiligt und ermöglichten deren Interpretation mit Hilfe numerischer Simulationen und dem Aufbau eines theoretischen Rahmens, der Interpretationen und tiefergehende Informationen erlaubt. Die faszinierenden Aufnahmen entstanden im Rahmen der internationalen Zusammenarbeit am Event Horizon Telescope (EHT).

Die EHT-Bilder zeigen die Schwarzen Löcher M87* in der Galaxie M87 und Sagittarius A* (Sgr A*) im Zentrum unserer Milchstraße als einen hellen Ring, der den „Schatten des Schwarzen Lochs“ umgibt. Das Team um den theoretischen Physiker von FIAS und Goethe-Universität trug wesentlich zur theoretischen Modellierung der durch die Teleskope aufgenommenen Daten bei.

»Schwarze Löcher« abzubilden ist nicht einfach, da nur sehr wenig bekannt ist über die physikalischen Bedingungen in der Nähe des »Schwarzen Lochs« und die Dynamik des Plasmas, das Licht aussendet, bevor es vom »Schwarzen Loch« verschluckt wird. Daher sind ausgeklügelte Methoden und Hochleistungsrechner für die astronomische Forschung von großer Bedeutung.

Herr Dr. Rezzolla betont, hinter dem gewaltigen Aufwand für diese Bilder eines supermassereichen »Schwarzen Lochs« stecke die gewaltige gemeinsame Anstrengung vieler Forschender weltweit. Die Interpretation der physikalischen Bedeutung eines solchen Bildes und die Bestimmung seiner Auswirkungen auf unser Verständnis von »Schwarzen Löchern« sei nur möglich durch fortschrittliche theoretische Modellierung und Hochleistungsrechner. „Ich fühle mich privilegiert, weil ich Zugang zu diesen Forschungseinrichtungen am FIAS und der Goethe-Universität habe“, so Dr. Rezzolla.

Den Preis in Höhe von 20.000 Euro samt Urkunde und einem gravierten Pokal erhält der FIAS Fellow am 05.02.2025 im Rahmen des PRACE Intersection Seminars in der Fondation Universitaire in Brüssel (Belgien). PRACE steht für Partnership for Advanced Computing in Europe und ist eine europäische Initiative zur Bündelung der Rechenleistung von Hochleistungsrechnern in 25 europäischen Ländern.

Herr Dr. Rezzolla wird seine Arbeiten in einem Plenarvortrag vorstellen – der Preis sei ihm eine Ehre: „Er ist ein bescheidenes Beispiel für die zahlreichen Bemühungen in Frankfurt und anderswo, Supercomputer zu nutzen, um unser Verständnis des Universums zu vertiefen“.


Kontakt:
Prof. Dr. Luciano Rezzolla
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.: +49 (0)69-798-47871
eMail: rezzolla@itp.uni-frankfurt.de


Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies)
ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebensund Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren.

Aktuelle Informationen zu Forschung, Projekten und Veranstaltungen unter https://fias.institute/

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Wie Wirkstoffe leichter Membranen durchqueren

Wirkstoffe können mit Hilfe des Adrenozeptors (gelb) die wasserabstoßende Fettschicht in der Membranmitte (grün) leichter durchdringen.

FIAS-Computersimulationen zeigen Weg in die Zelle für Medikamente

Wie Proteine das Durchqueren von Membranen erleichtern, zeigen Forschende des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) mit Hilfe von Computersimulationen. Dies kann für Wirkstoffe ein wichtiger Weg sein, um in das Zellinnere vorzudringen, etwa zur Behandlung von Tumoren oder Autoimmunerkrankungen.

Die Zellmembran grenzt die Zelle von ihrer Umgebung ab und stellt für Teilchen aus der Umgebung eine Barriere dar. Sie erschwert beispielsweise das Eindringen unerwünschter Krankheitserreger wie Viren oder Bakterien. Andererseits müssen lebensnotwendige Moleküle wie Nährstoffe oder Medikamente die Zellmembran durchqueren. Während es für manche Moleküle spezielle Transportsysteme gibt, müssen andere selbst einen Weg durch die Zellmembran finden. Im einfachsten Fall diffundieren die Teilchen durch die Membran, aber die wasserabstoßende Fettschicht in der Membranmitte ist schwer zu durchdringen.

Eine Möglichkeit, diese Energiebarriere beim Durchqueren der Membran erheblich zu verringern, konnte Cristina Gil Herrero, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von FIAS-Fellow Sebastian Thallmair, nun aufklären: Ein Membranprotein, das unter anderem in Muskel-, Fett- und Nervenzellen vorkommt, der β2-Adrenozeptor, überbrückt die Fettschicht, wie sie mit Hilfe von molekularen Simulationen zeigte. Der β2-Adrenozeptor reduziert für zwei der untersuchten Wirkstoffe die Barriere um erstaunliche 60 %. Beides sind Arzneistoffe, die die Bronchien entspannen und erweitern und daher bei Lungenerkrankungen wie Asthma eingesetzt werden.

Für diese Wirkstoffe reicht es, bis an die Membran vorzudringen, um ihre gewünschte Wirkung zu entfalten. Die ebenfalls untersuchten Kinasehemmer müssen in die Zelle gelangen, um dort die Enzyme zu beeinflussen, die eine wichtige Rolle in der Zellregulierung und dem Energiestoffwechsel spielen. Kinasehemmer werden unter anderem in der Tumor- und Immuntherapie eingesetzt. Daher sind die Beobachtungen bei den untersuchten Kinasehemmern höchst spannend für zukünftige Medikamentenstudien, da sie einen bisher nicht berücksichtigten Weg zur Durchquerung der Zellmembran zeigen.

Die FIAS-Forschenden nutzen ausgefeilte Simulationsmodelle, die beispielweise Membranfunktionen nachahmen. Dazu bauen sie Moleküle aus Lego-ähnlichen Bausteinen zusammen. Die Simulationen in einer virtuellen Box folgen den Gesetzen der Physik. Dabei fiel den Forschenden auf, dass die Wirkstoffe in Anwesenheit des β2-Adrenozeptors häufiger die Membran durchqueren. Dies weckte ihre Neugier, die Rolle des β2-Adrenozeptors näher zu untersuchen.

Die Simulationen verdeutlichen, wie kompliziert es ist, das Durchqueren von Membranen durch Wirkstoffe vorherzusagen, da diese mit unzähligen Proteinen in der Membran wechselwirken. So könnten andere Proteine oder Lipide den Zugang auch erschweren. Die Erkenntnisse der Forschenden des FIAS können helfen, Wirkstoffe zu entwickeln, die leichter die Barriere der Zellmembran überqueren und so schneller in den Blutkreislauf und möglicherweise sogar über die Blut-Hirn-Schranke gelangen.

„Mit Hilfe von Computersimulationen möchten wir weitere Proteine identifizieren, die ein ähnliches Verhalten wie der β2Adrenozeptor zeigen“, beschreibt Sebastian Thallmair die weiteren Projektziele. „So hoffen wir, ein vollständigeres Bild über die Komplexität der Membrandurchquerung von Wirkstoffen zu erhalten.“


Publikation: Cristina Gil Herrero, Sebastian Thallmair, G-Protein-Coupled Receptor Surface Creates a Favorable Pathway for Membrane Permeation of Drug Molecules, J. Phys. Chem. Lett. 15, 12643 (2024), https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.4c02875.

Abbildung: Wirkstoffe können mit Hilfe des β2-Adrenozeptors (gelb) die wasserabstoßende Fettschicht in der Membranmitte (grün) leichter durchdringen. Der Ausschnitt aus der Computersimulation zeigt dies für zwei Medikamente für Lungenkrankheiten – Salmeterol (rot) und Salbutamol (hellblau).

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies)
ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren. https://fias.institute/

Herausgeber: Prof. Dr. Eckhard Elsen, Direktor des FIAS, Redaktion: Dr. Anja Störiko, Pressereferentin, Büro 1|202, Ruth-Moufang-Straße 1, D-60438 Frankfurt am Main, Telefon: +49 (0)69 798 47507 oder +49 6192 23605, stoeriko@fias.uni-frankfurt.de

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Dunkle Energie und Dunkle Materie in Galaxien

Umlaufgeschwindigkeit zu Entfernung von Sternen und Galaxien

FIAS-Forscher ermöglichen neues Verständnis der Kräfte im Universum

Dunkle Energie beschleunigt die Expansion unseres Universums. Den Einfluss dieser besonderen Form der Energie innerhalb unserer Galaxien untersuchen Forscher am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS).

Ihre aktuelle Arbeit zeigt, dass die abstoßende Kraft der dunklen Energie nicht mehr als zwei Größenordnungen über einem bekannten Wert liegen darf, um stabile Galaxien zu gewährleisten. Die Studie deutet darauf hin, dass »Dunkle Energie« auch im nahen Universum eine größere Rolle spielt als bisher angenommen.

Das Diagramm zeigt die Umlaufgeschwindigkeit (Rotational velocity) im Verhältnis zur Entfernung (Distance from the center) für Sterne in Galaxien. Ohne dunkle Materie sollte die Geschwindigkeit der gestrichelten Linie folgen und mit zunehmender Entfernung vom Zentrum abnehmen.

Die beobachtete Geschwindigkeit verläuft jedoch fast als flache Linie, was darauf hinweist, dass es in den Galaxien »Dunkle Materie« geben muss, um diese höher als erwartete Geschwindigkeit in den äußeren Bereichen zu erklären.

Zwei mysteriöse Kräfte formen das Universum: »Dunkle Materie«, die anzieht und Galaxien zusammenführt, und »Dunkle Energie«, die abstößt und sie auseinandertreibt, was die Ausdehnung des Universums verursacht.

»Dunkle Materie« macht etwa 26 % der Masse des Universums aus, während »Dunkle Energie« ungefähr 68 % beiträgt (der Rest von 6 % ist atomare Masse, aus der wir und die Sterne bestehen). Diese Kräfte: eine anziehend und die andere abstoßend – galten lange Zeit als die primären Einflüsse auf die Struktur und Entwicklung des Kosmos.

Neue Forschungsergebnisse von David Benisty und David Vasak aus den Gruppen der FIAS-Fellows Jürgen Struckmeier und Horst Stöcker vom Frankfurter Institute for Advanced Studies legen nahe, dass die Effekte der Dunklen Energie auch innerhalb von Galaxien nachweisbar sind, also auf einer viel kleineren Skala als bisher angenommen.

Durch die Analyse der Rotationskurven (Geschwindigkeit im Verhältnis zur Entfernung von Sternen, siehe Abbildung) in Zwerggalaxien stellten sie fest, dass die obere Grenze des Einflusses der »Dunklen Energie« überraschend nahe an den bekannten Werten liegt (nur zwei Größenordnungen höher).

Diese bahnbrechende Entdeckung deutet darauf hin, dass die »Dunkle Energie« einen viel größeren Einfluss auf die Dynamik von Galaxien hat als bisher angenommen. Sie könnte das Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft der »Dunklen Materie« und dem Druck der »Dunklen Energie« stören und zu galaktischer Instabilität führen.

Die von der Carl-Wilhelm-Fück-Stiftung und der Margarethe- und Herbert-Puschmann-Stiftung geförderte Forschung eröffnet neue Möglichkeiten, die »Dunkle Energie« innerhalb von Galaxien zu untersuchen und bietet neue Einblicke in ihre Beziehung zur »Dunklen Materie«. Die Ergebnisse stellen frühere Annahmen in Frage und deuten darauf hin, dass die »Dunkle Energie« auf viel kleineren Skalen wirkt als bisher angenommen.

Die Arbeit zeigt, dass in Galaxien mit langen Umlaufzeiten der Einfluss der »Dunklen Energie« die Geschwindigkeit in den äußeren Bereichen verringert. Daher nehmen die Forscher an, dass zukünftige Messungen, die sich auf die äußeren Regionen von Galaxien konzentrieren, »Dunkle Energie« auf viel kleineren Skalen erkennen werden, als es derzeit vorstellbar ist. Dies könnte zu einem tiefgreifenden Wandel in unserem Verständnis der fundamentalen Kräfte des Universums führen.


Publikation: David Benisty, David Vasak, Jürgen Struckmeier, Horst Stöcker, Bounding the Cosmological Constant using Galactic Rotation Curves from the SPARC Dataset, Phys.Rev.D 110 (2024) 6, 063028, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.063028.

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies)
ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und Kl-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften.
Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren.

Aktuelle Informationen zu Forschung, Projekten und Veranstaltungen unter https://fias.institute/

Foto: Gemini Observatory, Creative Commons License
http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2016/galactic-rotation-curves-revisited-surprise-dark-matter/

 

Freunde und Förderer der Goethe-Universität

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Die Gründung des FIAS war eine kuriose Geschichte

FIAS Gebäude der Stiftung Giersch

20 Jahre Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)

Wolf Singer, der Mit-Initiator des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) erinnert sich. Es war die Zeit der Jahrtausendwende. Theorien und Simulationen für sein Fachgebiet, die Neurobiologie und alle Naturwissenschaften wurde immer wichtiger.

„Daher habe ich ganz frech einen Antrag bei der VW-Stiftung für eine theoretische Stiftungsprofessur Neurowissenschaften an der Uni Frankfurt gestellt“, erzählt er. Der Antrag wurde international begutachtet, als tragfähig befunden und die ersten Fördergelder genehmigt.

Auch andere Wissenschaftler, wie zum Beispiel der Physiker Walter Greiner waren zu der Zeit auf der Suche nach mehr theoretischer Physik. Beim damaligen Präsidenten der Goethe-Universität stießen sie auf ein offenes Ohr.

„Komplexe Systeme, egal in welcher Wissenschaftsdisziplin, lassen sich durch die gleichen theoretischen Ansätze beschreiben!“ so die immer noch gültige Zielsetzung.

Das FIAS wurde als gemeinnützige Stiftung bürgerlichen Rechts gegründet. Dies ermöglichte Flexibilität in der Forschung. Zusammen mit Steinberg und Horst Stöcker, dem Vizepräsidenten für Forschung und späteren ersten FIAS-Vorsitzenden, machten sich Wolf Singer und Walter Greiner auf die Suche nach geeigneten Räumlichkeiten und Finanzierungspartnern.

Wichtige Förderer wurden gefunden

  • BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung)
  • Boehringer Ingelheim
  • DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)
  • Karin und Carlo Giersch
  • Helmholtz-Gemeinschaft
  • Hertie-Stiftung
  • Hessische Landesregierung
  • Humboldt-Stiftung
  • Merck
  • Siemens
  • Samson
  • VW-Stiftung
  • und andere

100 Millionen Euro Forschungsmittel wurden zur Verfügung gestellt. Stiftungsrat und Kuratorium wurden gegründet. Gründungsdirektoren im neuen Vorstand waren die Herren Greiner und Singer. Aus 250 Bewerbungen wurden 5 künftige Fellows ausgewählt.

„Das Verbindende in der Vielfalt zu erschließen“, war und ist ein Motto des FIAS.

Nach nur 9 Monaten Bauzeit zog das FIAS 2007 in das neue Gebäude am Riedberg. Bauherr Carlo Giersch: „Wenn sich Geist und Geld begegnen, kann Großes entstehen.“

Die Erfolge des FIAS lassen sich sehen: Die computergestützten Neurowissenschaften haben die Forschenden entscheidend vorangebracht. Theorien und Simulationen von molekularen und zellübergreifenden Netzwerken erlauben Aussagen über Zellbewegungen, Signalprozesse und Interaktionen von Zellen bis zu Computermodellen von Infektionskrankheiten und deren Übertragung.

Physiker beschreiben kleinste und extrem dichte Materieformen, Gravitationswellen und Neutronensterne und liefern wichtige Daten zu Klima, Erdbeben und Stromübertragung. Am FIAS entwickelte Hochleistungscomputer gehören zu den energieeffizientesten Systemen weltweit.

„Ein kleines Institut kann wie ein Schnellboot navigieren und jederzeit die Richtung ändern.“

Neben Neurowissenschaft und Physik nutzt heute auch die Biologie am FIAS Simulation und Modellierung. Das FIAS kann mit den modernen Methoden der EDV die Forschung gezielt und effizient voranbringen. Ein Dank an die visionären Gründer.


Das Jubiläumsjahr

Das Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) feiert dieses Jahr sein 20-jähriges Jubiläum. Im markanten roten Institut am Riedberg forschen 150 Fellows und Mitarbeitende interdisziplinär an komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen.

Schwerpunkte sind Simulationen und Theorien aus allen naturwissenschaftlichen Bereichen, die Grundlagen zur Bewältigung der Herausforderungen unserer Zeit schaffen. Als gemeinnützige Stiftung arbeitet das FIAS eng mit der Goethe-Universität, benachbarten Forschungsinstituten sowie privaten Stiftern und Sponsoren zusammen.

Das FIAS feiert dieses Jahr mit Veranstaltungen wie Tag der offenen Tür, Sommerfest und Beteiligung an der »Night of Science« sowie dem Museumsuferfest. Höhepunkt ist der Festakt im Casino der Goethe-Universität am 5. Dezember unter der Schirmherrschaft des Universitätspräsidenten.

20 Jahre FIAS das sind

  • 72 Fellows
  • über 100 Promotionen
  • 3 Stiftungsprofessuren
  • 15 eng kooperierende Adjunct und International Fellows
  • über 20 fördernde Stiftungen und Sponsoren
  • jährlich rund 150 forschende Gäste aus über 25 Ländern

Weiterführender Link
UniReport Ausgabe 5-2024 vom 10.10.2024, Seite 3

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Neues KI-Modell verhindert Schäden an industriellen Leitungen

FIAS-Projekt: Cavitation - Propellerdamage

Schäden wie an diesem Propeller entstehen durch Dampfblasen. FIAS-Forschende ermöglichen die rechtzeitige Erkennung derartiger Kavitationsschäden, was hohe Kosten für Wartung und Reparaturen vermeiden kann. (Foto: Erik Axdahl, CC 2.5)

FIAS-Forscherteam erzielt hohe Genauigkeit bei der Erkennung von Kavitationen.

Dampfblasen sind in Industrieanlagen gefürchtet. Sie entstehen in Leitungen, wenn Flüssigkeit unter Druck anfängt zu sieden oder zu verdampfen. Die sich bildenden und schlagartig zusammenfallenden Blasen schaden Pumpen und Geräten.

Eine Forschergruppe am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) stellt nun einen neuartigen Ansatz zur Erkennung dieser „Kavitationen“ vor, der das industrielle Rohrleitungsmanagement deutlich verbessern könnte. Alle Branchen mit Flüssigkeitssystemen könnten davon profitieren.

Unter der Leitung von FIAS-Fellow Kai Zhou stellt Doktorand Yu Sha in einer aktuellen Studie in der renommierten Fachzeitschrift „Expert Systems with Applications“ das Sub-Master Transition Network (SMTNet) vor. Dahinter verbirgt sich ein innovatives Deep-Learning-Modell, das die kritischen Grenzen aktueller Methoden zur Erkennung solcher Kavitationen überwindet.

Zu den wichtigsten Innovationen des SMTNet gehört ein mehrstufiger Mechanismus, der die optische Kavitationserkennung von Experten nachahmt, aber gleichzeitig intuitivere und genauere Klassifizierungen ermöglicht.

Zudem signalisiert eine Filterstufe langfristige Veränderungen mit akustischen Signalen und erfasst feine Muster, die anderen Modellen entgehen. Ein spezieller Netzwerkbaustein misst sensible Merkmale akustisch. Zudem bildet eine mehrstufige Baumstruktur die Struktur von Kavitationszuständen ab und liefert damit informativere und besser interpretierbare Ergebnisse.

Das SMTNet-Modell wurde an drei realen Kavitationsdatensätzen des Ventiltechnikherstellers Samson AG in Frankfurt eingehend getestet und zeigte dabei eine bemerkenswerte Leistung. Es erreichte eine Genauigkeit für Kavitation von bis zu 100 % und übertraf damit bestehenden Methoden deutlich.

Der Ansatz stellt einen Paradigmenwechsel in der Erkennung und Klassifizierung von Kavitationsereignissen dar. Die Forschungsgruppe nutzt die hierarchische Natur von Kavitationszuständen, um ein Modell zu entwickeln, das nicht nur die aktuellen Methoden übertrifft, sondern auch Ergebnisse liefert, die besser mit den Vorstellungen von Fachleuten auf dem Gebiet der Kavitation übereinstimmen.

Dieser Durchbruch hat weitreichende Auswirkungen auf Branchen, die auf Flüssigkeitssysteme angewiesen sind, darunter die Wasserwirtschaft, die Energieerzeugung und die Fertigung. Die verbesserte Genauigkeit und Interpretierbarkeit des SMTNet-Modells verspricht eine verbesserte Wartungsstrategien, weniger Anlagenausfälle und verbesserte Gesamtsystemeffizienz.

„Es gibt noch Verbesserungsmöglichkeiten, insbesondere bei der Erkennung von beginnender Kavitation in einigen Szenarien“, räumt Zhou ein. „Unsere künftigen Forschungsarbeiten werden sich auf die weitere Verfeinerung des Modells und die Entwicklung einer direkten Ein-Schritt-Methode für die Erkennung der Kavitationsintensität konzentrieren“. Die aktuelle Studie sei bereits ein bedeutender Schritt nach vorne.


Publikation: Shuiping Gou,Yu Sha, Bo Liu, Ningtao Liu, Johannes Faber, Stefan Schramm, Horst Stoecker, Thomas Steckenreiter, Domagoj Vnucec, Nadine Wetzstein, Andreas Widl, Kai Zhou, Hierarchical cavitation intensity recognition using Sub-Master Transition Network-based acoustic signals in pipeline systems. Systems with Applications, Volume 258, 15. Dezember 2024, 125155, ISSN 0957-4174, 125155. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2024.125155.

 

Kontakt
Kai Zhou
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.: 069-798-47619
eMail: zhou@fias.uni-frankfurt.de
Web: https://www.fias.science/de/theoretische-naturwissenschaften/gruppen/kai-zhou/

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies) ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und Kl-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren.
Aktuelle Informationen zu Forschung, Projekten und Veranstaltungen unter https://fias.institute/

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20 Jahre FIAS: Einladung zum Tag der offenen Tür

FIAS Gebäude der Stiftung Giersch

Das Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) wird20! Daher lädt das Forschungsinstitut am 6. Juli ab 11 Uhr zum »Tag der offenen Tür« ein. Damit beginnt das FIAS seinen Veranstaltungsreigen im Jubiläumsjahr.

Am kommenden Samstag öffnet das FIAS anlässlich seines 20. Gründungsjubiläums seine Türen für Interessierte: Wer gerne vor dem Fernseher den Fußball mit den Gedanken steuern würde – FIAS-Forschung macht es möglich! Weitere Experimente zum Mitmachen, verständliche Kurzvorträge, ein Kinderprogramm sowie Kaffee und Kuchen locken in das markante rote Gebäude am Riedberg mit Blick auf Skyline und Mittelgebirge.

Solange Menschen handelnd in die Geschicke der Welt eingreifen, sind sie verpflichtet, das Wissbare zu ergründen“, schrieb Neurobiologe Wolf Singer 2004, der zusammen mit dem Physiker Walter Greiner das FIAS gründete. Diesem Antrieb menschlicher Neugier zum Weltverständnis können am kommenden Samstag junge ebenso wie erfahrene Interessierte folgen:  Was ist ein Algorithmus? Wie lassen sich Medikamente mit Licht steuern? Und was passierte nach dem Urknall?

Das FIAS wurde gegründet, um das Verbindende in der Vielfalt zu erschließen.
(Wolf Singer, Gründungsdirektor 2004)

Solchen und vielen anderen Fragen widmen sich die Forschenden am FIAS in ihrer täglichen Arbeit. Als theoretisches Institut stehen dabei vor allem Simulationen und Berechnungen im Vordergrund. Die unglaublich großen Datenmengen, die heutzutage weltweit in Experimenten gewonnen oder vorhergesagt werden können, müssen gefiltert, sortiert und ausgewertet werden. Das gilt für winzige Moleküle in der Zelle ebenso wie für die fernen Ereignisse in Sternen und Galaxien.

Das FIAS [will] Prinzipien identifizieren, die der Organisation komplexer Systeme zugrunde liegen. (aus dem Leitbild 2006)

Von Anfang an symbolisierte das FIAS-Logo diese Verknüpfungen sowie das Verbindende unserer Welt. Heute forschen über 130 Mitarbeitende aus 23 Ländern interdisziplinär in den Bereichen Biologie und Neurowissenschaften, Computer und Künstliche Intelligenz sowie Physik und Theoretische Naturwissenschaften. Mit ihren Simulationen und Theorien tragen sie zur Bewältigung der Herausforderungen unserer Zeit bei: Sie erforschen, wie wir lernen und denken, entwickeln Vorhersagemodelle für Erdbeben, Vulkanausbrüche und Gewitter, untersuchen die Natur von Schwarzen Löchern und optimieren Computer, damit sie nachhaltiger werden.

Als Stiftungsinstitut gewährleistet das FIAS größtmögliche Unabhängigkeit und Flexibilität.
(Wolf Singer, Gründungsdirektor 2004)

Als Stiftungsinstitut lebt das FIAS von seinen Unterstützern: allen voran die Goethe-Universität Frankfurt sowie viele großzügige private Spender sowie fördernde Firmen, die im Laufe der zwei Jahrzehnte Forschung am FIAS ermöglichten.

Ein Schwerpunkt liegt auf der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses: Von Anfang an betreute die FIAS International Graduate School for Science (FIGSS) Promovierende interdisziplinär. Sie fördert die Forschung in den Schnittbereichen zwischen den klassischen Wissenschaften. Möge die Faszination des Wissbaren am Tag der offenen Tür auch kommende Generation für die Wissenschaften am FIAS gewinnen: Alle sind herzlich willkommen!

Weitere ausführliche Informationen unter https://fias.institute, in unseren Jahresberichten https://fias.institute/de/das-fias/informationsmaterial sowie zur Geschichte https://fias.institute/de/das-fias/uebersicht. Gesprächspartner von der Gründung bis zur heutigen Forschung sowie Bildmaterial vermitteln wir Ihnen gerne.


Kontakt
Patricia Vogel
Organisation Tag der offenen Tür am FIAS
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)

Tel.: +49 69 798 47688
eMail: pvogel@fias.uni-frankfurt.de

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Bei uns kicken die Roboter!

Die „Bembelbots" beim Fußballturnier, zu sehen bei der Night of Science der Goethe-Universität.

Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)

Im Rahmen der Night of Science an der Goethe-Universität am Freitag, den 21. Juni treten Roboter gegeneinander an – eines von vielen Events von FIAS und der Goethe-Universität.

Wenn die deutsche Nationalmannschaft sich am kommenden Freitag auf das letzte Vorrundenspiel vorbereitet, kicken am FIAS die Roboter. Während der Night of Science am Campus Riedberg können Interessierte die „Bembelbots“ beim Roboterfußballturnier anfeuern. Vom Dachgarten gibt es zudem den schönsten Blick über Frankfurt und eine Mitmach-Ausstellung zur FIAS-Forschung.

Die Bembelbots“, das Roboterfußballteam der Goethe-Universität, bereitet sich am FIAS auf die Weltmeisterschaft vor. Im Juli treten sie in Eindhoven beim »RoboCup« an, bei dem 50 Mannschaften mit selbst programmierten humanoiden Robotern um den Titel kämpfen. Während der Night of Science kann das Publikum das Vorbereitungstraining beobachten. In 10-minütigen Spielen beweisen die Roboter ihr Fußballtalent. „Software zu schreiben, die den Roboter Fußball spielen lässt, ist nicht einfach – schon grundlegende Bewegungen wie das Aufstehen sind kompliziert zu programmieren!“, erklären die Frankfurter Informatik-Studierenden. Die Roboter müssen dabei die FIFA-Regeln befolgen, die von menschlichen Schiedsrichtern kontrolliert und durchgesetzt werden.

Wer sich von den kickenden Robotern im FIAS-Erdgeschoss lösen kann, genießt im vierten Obergeschoss mit Dachgarten den schönsten Blick über Frankfurt. Dort können in einer Mitmach-Ausstellung junge wie erfahrene Interessierte jede Menge über die Forschung am FIAS erfahren und selbst ausprobieren. An dem interdisziplinären Institut forschen über 130 Menschen aus 23 Ländern an komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen. Mit „Künstlicher Intelligenz“ und „lernenden Systemen“ simulieren und berechnen sie unsere Welt – von kleinsten Proteinen in der Zelle bis hin zu den Sternen im Weltall. Ihre Simulationen und Theorien legen die Grundlage zur Bewältigung der Herausforderungen unserer Zeit.

Auch bei den Vorträgen sind FIAS-Forschende zu hören. Sie schildern ihre Faszination für die Wissenschaft: Luciano Rezzolla berichtet über „Die unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft“ (Hörsaal 2, 18:30 Uhr), Ivan Kisel erklärt „KI-Techniken für die Analyse von Schwerionen-Kollisionen“ (H4, 00:45 Uhr) und Sebastian Thallmair stellt „Lichtschalter in Medikamenten“ vor (Biologicum 2, 22:15 Uhr).

Die Night of Science mit einem vielseitigen Programm aus spannenden Vorträgen, Führungen und Mitmachaktionen findet seit 2006 an der Goethe-Universität statt. Ausführliche Informationen, das vollständige Programm und einen Lageplan gibt es auf der Website https://nightofscience.de/. Für die Verpflegung sorgen Grill-, Waffel- und Kuchenstände sowie Getränketheken und Foodtrucks.


Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies)
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Kontakt
Patricia Vogel
Organisation Night of Science am FIAS Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.: +49 69 798 47688
eMail: pvogel@fias.uni-frankfurt.de

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Wie Wellen im Sand: Die junge Hirnrinde bildet spontane Muster

Sand und Hirn

Internationales Forscherteam belegt Fähigkeit zur Selbstorganisation in der Gehirnentwicklung.

Die Hirnrinde (Kortex) erlaubt uns Menschen zu denken, unsere Umgebung wahrzunehmen und zielgerichtet zu handeln. Bestimmte Muster der Hirnaktivität ermöglichen dies. Sie entstehen früh in der Hirnentwicklung durch dynamische Prozesse der Selbstorganisation.

Das zeigen Forschende der University of Minnesota (UoM) und des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) in einer in Nature Communications veröffentlichten Studie.

Sie fanden heraus, dass die Netzwerke der jungen Hirnrinde unstrukturierten Input in hochorganisierte Aktivitätsmuster umwandeln. Die Organisation dieser Muster ist demnach nicht von außen (etwa durch Sinneseindrücke) bestimmt, sondern entsteht durch Interaktion zwischen den Nervenzellen und folgt dynamischen Gesetzen. In der Hirnentwicklung bilden sich regelmäßige Muster, wie man sie von Sand oder Fischen kennt.

Das internationale Forscherteam bestätigt mit seinen Erkenntnissen eine jahrzehntealte theoretische Hypothese der Gehirnentwicklung. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass sich Hirnaktivität in der frühen Hirnrinde selbst organisiert“, erklärt FIAS-Senior-Fellow Matthias Kaschube. Benachbarte Nervenzellen aktivieren sich gegenseitig, während weiter entfernte Gruppen von ihnen unterdrückt werden. Dies führt spontan zur Bildung regelmäßiger Muster der Hirnaktivität, und solche Muster verwendet das Gehirn später in der Entwicklung, um Sinneseindrücke zu verarbeiten.

„Diese Umwandlung von unstrukturiertem Input in hochorganisierte Aktivitätsmuster findet anscheinend vollständig im Kortex selbst statt“, ergänzt Gordon Smith (UoM Medical School). Die Hirnrinde kann offensichtlich ihre eigene Funktion während der Entwicklung organisieren.

In einem selbstorganisierenden System erzeugen bereits einfache Wechselwirkungen eine komplexe Organisation. Beispiele sind Muster wie Wellen auf Sanddünen, Punkte auf manchen Fischen, Spiralnebel der Milchstraße oder Vogel-Schwärme.

Durch die enge Verknüpfung von Theorie und Experiment konnte das Forscherteam zeigen, dass ähnliche mathematische Regeln, wie sie für die Muster in einer Vielzahl von lebenden und nicht lebenden Systemen gelten, auch die Entwicklung des Gehirns steuern.

Das Forschungsteam nutzte an der UoM entwickelte optische Instrumente, die direkt sichtbar machen, wie die groß angelegte Struktur der sich entwickelnden Hirnaktivität aus den Netzwerken selbst entsteht. Kaschube analysierte diese Daten am FIAS und verglich sie mit den Vorhersagen mathematischer Modelle der Selbstorganisation von Hirnaktivität.

Derzeit untersuchen die Forschenden, wie sich Veränderungen in diesen selbstorganisierten neuronalen Aktivitätsmustern zu Beginn der Entwicklung auf die spätere Sinneswahrnehmung auswirken.


Publikation: Haleigh N. Mulholland, Matthias Kaschube* und Gordon B. Smith* (*zu gleichen Teilen), Self-organization of modular activity in immature cortical networks. Nat Commun 15, 4145 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024- 48341-x

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies) ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren. https://fias.institute/

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Was darf Künstliche Intelligenz? – Ethische Fragen im FIAS Forum

FIAS Forum Ankündigung

Über die Vereinbarkeit von Informationstechnologie und unseren moralischen Werten spricht die erste deutsche Professorin für Ethik der Informationstechnologie Judith Simon, im Rahmen der öffentlichen Vortragsreihe des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS).

Am 23. Mai um 18:00 Uhr ist die Öffentlichkeit herzlich eingeladen zu einem Vortrag in der Reihe FIAS Forum. Im Anschluss können die Zuhörer mit Prof. Judith Simon bei Brezeln und Wein über Fragen zu Ethik und Künstlicher Intelligenz (KI) diskutieren.

Welche Verantwortung tragen wir bei der Nutzung moderner Informationstechnologie? Diese Frage zur zunehmenden Digitalisierung und Nutzung von KI beschäftigt die Ethikprofessorin der Universität Hamburg.

„Wann immer wir Entscheidungen oder Tätigkeiten an Maschinen delegieren, muss das auf eine Art und Weise geschehen, die die Handlungsfähigkeit von Menschen erweitert und nicht vermindert,“ sagte Frau Simon kürzlich in einem Interview des NDR. Dabei betont sie, dass KI eigentlich konservativ sei: Sie lerne aus alten Daten und schreibe diese Muster in den generierten Prognosen fort. „Entscheidungen für die Zukunft basieren dann auf diesen alten Daten“, gibt sie zu bedenken.

Frau Simon beschäftigt sich mit der Verschränkung ethischer, erkenntnistheoretischer und politischer Fragen im Kontext von Big Data, Künstlicher Intelligenz und Digitalisierung. Als Mitglied des Deutschen Ethikrates sowie weiterer Gremien für wissenschaftliche Politikberatung prägt sie die Debatte über moralische und ethische Fragen mit, die den Umgang und die Steuerung moderner Informationstechnologie betreffen.

Benötigen wir also eine neue Ethik? Frau Simon betont, dass das Digitale bestimmte Fragen – nach Gleichheit, Freiheit, Gerechtigkeit – nur verstärkt, allerdings unter veränderten Vorzeichen. KI sei nur bedingt handlungsfähig oder intelligent. Aber neue Akteure verlangten eine Ethik, die auch Handeln jenseits von Individuen in den Blick nimmt. Es gelte immer: „Wo endet die Freiheit des einen, wann verletzt sie andere? Wer bestimmt, wie Dinge funktionieren? Wer ist Leidtragender?“

Im Rahmen des FIAS Forum am 23. Mai stellt Frau Simon ihre Sicht auf die ethischen Chancen und Risiken des maschinellen Lernens dar und diskutiert mit Laien und Wissenschaftlern, wo und wie Steuerung und Eingriffe nötig und möglich sind. Die Expertin beleuchtet ethische, erkenntnistheoretische und politische Fragen im Kontext von Big Data, KI und Digitalisierung. Interessierte sind herzlich willkommen!

Anmeldung: Die Teilnahme an der Veranstaltung ist kostenfrei. Aufgrund begrenzter Kapazitäten für den anschließenden Empfang bitten wir um vorherige Anmeldung an forum@fias.uni-frankfurt.de.


Das FIAS Forum stellt viermal im Jahr aktuelle Themen aus den Naturwissenschaften und gesellschaftlichen Debatten wissenschaftlich und verständlich dar. Dies ermöglicht spannende Diskussionen über die akuten Herausforderungen in der naturwissenschaftlichen Forschung und deren Einfluss auf unsere Gesellschaft. Nach dem Vortrag besteht jeweils die Möglichkeit, sich bei einem kleinen Empfang mit der Sprecherin und weiteren Wissenschaftlern des FIAS auszutauschen.

Das FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies) ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Frankfurt am Main. Hier entwickeln international ausgewiesene Wissenschaftler Theorien zu komplexen naturwissenschaftlichen Zukunftsthemen in den Bereichen theoretische Naturwissenschaften, Computerwissenschaften und KI-Systeme sowie Lebens- und Neurowissenschaften. Über die Grenzen der Disziplinen hinweg erforschen sie mit Hilfe mathematischer Algorithmen und Simulationen die komplexen selbstorganisierenden Systeme der Natur. Das FIAS ist eine gemeinnützige Stiftung zwischen der Goethe-Universität und privaten Stiftern und Sponsoren. https://fias.institute/

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Inselvulkane und ihre Gefahren besser verstehen

Insel-Vulkane

Studie am FIAS hilft Vulkanausbrüche einzuschätzen

Eine detaillierte Analyse des Ausbruchsverhaltens der Inselvulkane Stromboli, Ätna (Italien), Yasur (Vanuatu) und Whakaari (Neuseeland) veröffentlichte Darius Fenner aus Nishtha Srivastavas Team zusammen mit Patrick Laumann und Georg Rümpker am Frankfurt Institute of Advanced Studies (FIAS). Solche Analysen vergangener größerer und kleinerer Ereignisse können helfen, die Ausbrüche von Vulkanen einschließlich der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Prozesse zu verstehen.

Verschiedene Arten vulkanischer Ereignisse erfasst eine Forschungsgruppe des FIAS mit einem kürzlich von ihr entwickelten Ansatz. Sie katalogisiert alle kleinen und großen seismisch-vulkanischen Ereignisse einschließlich großer Eruptionen kontinuierlich an Stationen in der Nähe von Vulkanen. Um die Bedeutung solcher Ereignisse schneller einordnen und erkennen zu können, hilft das automatisierte und äußerst leistungsfähige Verfahren „Adaptive-Window Volcanic Event Selection Analysis Module“ (AWESAM), das die FIAS-Arbeitsgruppe Seismology & Artificial Intelligence (SAI) vergangenes Jahr vorgestellt hatte. (https://fias.news/aktuelles/vulkanische-aktivitaet-messen/)

In ihrer aktuellen Forschungsarbeit analysierte die Gruppe die vorliegenden Daten aus bis zu 15 Jahren im Detail, beispielsweise die Zeitabstände zwischen den Ereignissen, die Amplituden und das Verhältnis von Amplitude und Häufigkeit. So konnten sie Unterschiede und gemeinsame Muster bei den vulkanischen Ereignissen feststellen.

Sie beobachteten beispielsweise, dass es auf Stromboli häufiger große Ausbrüche gibt als man auf Grundlage bekannter Zusammenhänge erwarten würde. Aufbauend auf ihren früheren Ergebnissen bewertet und erweitert die Studie das Verständnis dieses Phänomens auf der Grundlage von Daten aus einem Jahrzehnt. So fand sich ein bestimmtes Muster vor und nach den beiden heftigen Stromboli-Ausbrüchen 2019. Der erweiterte Datensatz bestätigt die statistische Signifikanz der Ergebnisse. Bisher wurde dieses Muster aber nur für Stromboli beobachtet, was Fragen über die Einzigartigkeit dieses Musters aufwirft.

Darüber hinaus klassifiziert die Studie die Ereignisarten für Stromboli mithilfe eines selbständigen maschinellen Lernansatzes. Sie zeigt bestimmte Muster vor und nach Ausbrüchen, die die Gruppe erstmals detaillierter unterteilen konnte. Basierend auf einem Clusteralgorithmus ordnete sie beispielsweise die Frequenzen der Ereignisse genauer ein. Diese Muster können für die Vorhersage großer Eruptionen von Bedeutung sein.

Mit einem identischen Ansatz für alle 4 Vulkane fand die Gruppe ein ähnliches Verhalten trotz unterschiedlicher Typen und Aktivitäten. Whakaari zeigt ebenfalls ein typisches Muster in der Wiederholung großer Ereignisse. Da diese Beobachtung auf Daten einer einzelnen Station beruht, sind weitere eingehende Untersuchungen erforderlich, sobald mehr Daten zur Verfügung stehen. „In einem nächsten Schritt wollen wir untersuchen, ob es frühzeitige Anzeichen für größere Eruptionen gibt“, so Erstautor Darius Fenner. „Unsere Methode bietet eine vielversprechende Grundlage zur genaueren Vulkanüberwachung und für ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse“.


Weitere Informationen

Publikation: Darius Fenner, Georg Rümpker, Patrick Laumann und Nishtha Srivastava, Amplitude and inter-event time statistics for the island volcanoes Stromboli, Mount Etna, Yasur, and Whakaari. Front. Earth Sci. 11:1228103.
doi: 10.3389/feart.2023.1228103, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2023.1228103/full

 

Kontakt
Dr. Nishtha Srivastava
Theoretische Naturwissenschaften
Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
Tel.: +49 69 798 47618
eMail: srivastava@fias.uni-frankfurt.de
Web: https://www.fias.science/de/theoretische-naturwissenschaften/gruppen/nishtha-srivastava

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