Der Stoff der Zukunft

Im Kreise der Familie

15. November 2021 Eisenbahn-Infrastrukturen

Ressourcenschonung, Energieeffizienz und Umweltkonsistenz: In der ingenieurwissenschaftlichen Forschung hat Nachhaltigkeit viele Gesichter. Innerhalb der Disziplin hat der Fokus auf derlei Aspekte auf jeden Fall auch die Bedeutung der Informatik befeuert, die mit Modellierungen und Simulationen, aber auch durch die Digitalisierung von Herstellungsprozessen oder durch die Aufbereitung und Bereitstellung von Forschungsdaten in diesem Bereich ganz neue Lösungswege aufzeigt.

Eisenbahnverkehr

Auch ein Sonderforschungsbereich zu additiven Hüllen und Strukturen wie der von Oliver Sawodny wäre ohne Informatik gar nicht denkbar.

Wie effektiv sich mit den digitalen Möglichkeiten in den Ingenieurwissenschaften arbeiten lässt, zeigt nicht zuletzt das Projekt „Robuste Eisenbahn-Infrastruktur“ von Karl Nachtigall und Nils Nießen, das die DFG im Verfahren der Sachbeihilfen fördert und das 2020 an den Start gegangen ist. Hier haben sich zwei Experten für Verkehrsströmungslehre (TU Dresden) sowie für Schienenbahnwesen und Verkehrswirtschaft (RWTH Aachen) zusammengetan, um ein zentrales Mobilitätsproblem der Zukunft in den Griff zu bekommen.

„Der Schienenverkehr wächst vor allem im Bereich des Güterverkehrs enorm“, sagt Nachtigall. „Und die Planung von Eisenbahn-Infrastrukturen muss aufgrund der langen Lebensdauer der Systeme extrem vorausschauend erfolgen. Um da effektiv ausbauen zu können, sollten etwaige Engpässe bereits frühzeitig prognostizierbar sein: zum einen, um das System stabil zu halten, zum anderen aber auch, um es möglichst kostengünstig erweitern zu können.

„Bisher ist es eher so, dass Verkehrsnetze mit wenigen Angaben auf spätere Bedürfnisse gebaut und dann die Fahrpläne und der Betrieb an die vorhandene Infrastruktur angepasst werden müssen“, sagt Nießen. „Wir wollen da vorausschauender sein.“ Ausgangspunkt der beiden Forscher ist dabei nicht der auf eine ungewisse Zukunft ausgerichtete, starren Berechnungen folgende konkrete Fahrplan. Sie nehmen sogenannte Fahrplanfamilien in den Blick, um auf dieser Basis hinreichend abstrahiert flexiblere Planungen mit Variablen zu ermöglichen.

Statt einer auf die individuellen Bedürfnisse zugeschnittenen Infrastruktur, die in der Gegenwart optimal funktioniert, aber morgen bei der kleinsten Variante der Verkehrsströme schon instabil sein könnte, geht es laut Nachtigall um ein abstrakteres Modell. „Bei den Fahrplanfamilien suchen wir nach ähnlichen Eigenschaften von Fahrplanstrukturen, auf deren Grundlage wir Algorithmen für eine robustere Infrastruktur entwickeln können.“ Am Ende stehen mathematische Modelle, die Möglichkeiten über stochastische Verteilungen abzubilden in der Lage sind. Dieser Ansatz ist, wie Nießen sagt, „im Zusammenspiel von Mathematik und Verkehrswesen ziemlich einzigartig“. Und er geht im Modell laut Nachtigall „weit über das hinaus, was wir bisher kennen und rechnen können."

Dabei darf die Berücksichtigung aller  Rahmen- und Randbedingungen die virtuelle Rechnung natürlich nicht ohne die konkrete Wirklichkeit der Bahnsysteme machen. „Wir müssen ja auch immer schauen“, sagt Nießen, „dass das, was wir im Bereich der Grundlagenforschung für eine nachhaltigere Infrastruktur entwerfen, trotz aller Abstraktionen auch tatsächlich mit akzeptablen Ergebnissen und einem messbaren Mehrwert anwendbar ist. Sonst wäre der Nutzen ja gleich null.“