Mit mathematischem Durchblick

Wenn Menschen wie Lucia Mirabella alltägliche Dinge ansehen, erscheinen vor ihrem inneren Auge häufig mathematische Gleichungen. Die Erfinderin deutet auf ein ganz normales Wasserglas vor ihr auf dem Tisch: „Ich überlege, wie sich Flüssigkeit und Gas mischen und wie ich berechnen kann, wo das Glas wahrscheinlich brechen wird.“ Es gibt Kollegen, erzählt Mirabella lachend, die sehen einen Baum und denken über die Strömungsdynamik der Baumsäfte von der Wurzel bis zur Spitze nach. Seit sie denken kann, wollte sie die Dinge so präzise wie möglich erfassen. „Dadurch habe ich die Mathematik entdeckt“, erzählt die junge Italienerin, die mit ihrer Familie in Princeton, New Jersey lebt.

Die Wissenschaftlerin zeigt mit ihrer Arbeit, dass Mathematik im Alltag eine große Rolle spielt: „Theoreme per se zu lösen, interessiert mich nicht.“ Für sie ist diese Wissenschaft einfach die adäquateste Sprache, um etwas zu beschreiben. So ist für sie der Weg zum Design auch nicht weit. Sie setzt Algorithmen ein, um den Dingen eine Form zu geben, mit der sie am besten funktionieren. Für den Diffusor in einer Gasturbine ist es wichtig, die Bereiche der Strömungsstagnation und des Unterdrucks im Diffusor zu reduzieren, um schließlich den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Mithilfe von Computersimulationen findet Mirabella heraus, wie sich Partikel in einem Luftstrom in dem Diffusor verhalten. „Indem ich die Bewegung dieser Partikel analysiere, finde ich ihre effektivste Bewegungsbahn und benutze sie, um das Design zu definieren, das weniger Energie verschwendet." Dann passt sie mithilfe von Computersimulation, die Form an, mal dünner, dann dicker, um allmählich den idealen Diffusor zu entwickeln.

Ähnliche Methoden werden in der Medizin angewandt. Auch Mirabella arbeitete nach ihrer Promotion auf diesem Gebiet. Gemeinsam mit Kollegen half sie Chirurgen bei der Vorbereitung von Operationen bei Kindern mit Herzfehlern. Mit dem Computer modellierte sie das Herz und die Blutgefäße des Kindes und simulierte, wie das Blut fließen müsste, damit es effektiver pumpen konnte. „Der Chirurg benutzte dieses Modell, um die Form der Operationsbestecke zu planen, die er bei dem Eingriff verwenden kann“, erzählt die Forscherin, die ihren Beitrag aber nicht überbewerten will: „Natürlich lag die ganze Verantwortung bei den Medizinern.“ Dieser Designprozess, bei dem der Forscher Simulationen interaktiv einsetzt, um das Design von Objekten zu modifizieren, wird immer bedeutender.

Ganz neu ist hingegen der generative Ansatz. Hier gehört Mirabella zu den Pionieren: „Wir bringen den Computern bei, selbst neue Designansätze zu entwickeln.“ Ihr neuestes Forschungsfeld ist Strukturmechanik. Damit ist die Berechnung von Verformungen, Kräften und inneren Spannungen in Festkörpern gemeint. „Wenn wir wissen, wo die größten Kräfte auf ein Teil wirken, können wir daraus berechnen, wie Form und Qualität des Materials beschaffen sein müssen, um die Belastung auszuhalten.“ Generative Algorithmen können aufgrund dieser Informationen ganz neue Formen für altbekannte Objekte vorschlagen.

Einen großen Schub erlebt das generative Design mit dem 3-D-Druck, da es hier keine Einschränkungen beim Fertigungsprozess gibt. Auch darüber hat Mirabella intensiv geforscht. Sie simulierte am Computer, wie sich gedruckte Werkteile später verhalten werden, wenn sie in einer Anlage eingebaut sind. „Beim 3-D-Druck passiert viel: Das Material wird erhitzt und kühlt sich dann wieder ab, dadurch entstehen Spannungen, und all das führt zu bestimmten Eigenschaften, die wir kennen müssen“, erklärt Mirabella. Generatives Design geht aber ihrer Meinung nach weit darüber hinaus: „Wir arbeiten mit unseren Modellen und Algorithmen daran, alles einzufangen, was Designer und Ingenieure an Wissen einbringen, wenn sie neue Produkte konstruieren, und stellen es anderen zur Verfügung.“

So bedienen sich Gestaltung und Konstruktion bereits heute vieler neuer Technologien, an deren Entwicklung Mirabella maßgeblich beteiligt war. Sie hat 65 Erfindungsmeldungen eingereicht sowie drei Einzelpatente, die in 47 Schutzrechtsfamilien geschützt sind. Ein wichtiges Anliegen ist der jungen Forscherin die Förderung von Frauen in technischen Disziplinen. Sie betreut Praktikanten, darunter viele weibliche, und nimmt regelmäßig an den Treffen der Fraueninitiative GLOW bei Siemens teil. „Ich möchte jungen Frauen zeigen, dass sie alles erreichen können“, sagt sie. Sie selbst habe nur gute Erfahrungen gemacht, sowohl in der Familie als auch während ihres Studiums in Mailand und im Beruf: „Niemand hat mir je das Gefühl gegeben, aufgrund meines Geschlechts etwas nicht zu können“, sagt sie. Es sei ihr aber bewusst, dass nicht alle Frauen so gefördert werden. „Junge Frauen sollten die Ausbildung wählen, die ihnen am besten liegt, und sich nicht von den Erwartungen anderer beeinflussen lassen“, lautet ihr Ratschlag.