Heute Mathe, morgen DLR! Dr. Margrit Klitz

Präsentation zum Thema: "Heute Mathe, morgen DLR! Dr. Margrit Klitz"—  Präsentation transkript:

1 Heute Mathe, morgen DLR! Dr. Margrit Klitz
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Berlin / Braunschweig / Köln

2 Vorstellung Margrit Klitz
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Vorstellung Margrit Klitz Geboren irgendwann Anfang der 80‘er in Husum Studium Mathematik an der Uni Bonn SHK seit 2003: Numerische Mathematik, Simulation, Strömungsmechanik Diplom 2007 Doktorarbeit abgeschlossen 2015 3 Töchter (2008, 2010, 2013) PostDoc für ein halbes Jahr Im DLR seit August 2015 Wissenschaftliche Mitarbeiterin der Simulations- und Softwaretechnik: Parallelisierung von Codes, Strömungsmechanik, Hubschrauberdynamik, Softwareentwicklung

3 Vorstellung Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Vorstellung Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Forschungseinrichtung Raumfahrtagentur Projektträger Hoheitliche Aufgaben für die Planung und Umsetzung der deutsch. Raumfahrtaktivitäten Hoheitliche Aufgaben der Betreuung von Fördermitteln

4 Zusammenfassung Das DLR-Leitbild und die Forschungsbereiche des DLR
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Zusammenfassung Das DLR-Leitbild und die Forschungsbereiche des DLR Mathematikerinnen im DLR Die Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik Was Mathematik damit nun schon wieder zu tun hat

5 Standorte und Personal
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Standorte und Personal n Köln n Oberpfaffenhofen Braunschweig n n Göttingen Berlin n n Bonn n Neustrelitz Weilheim n Bremen n n Trauen Lampoldshausen n n Hamburg Stuttgart n Stade n Augsburg n Jülich n Circa 8000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in Instituten und Einrichtungen in 16 Standorten. Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington.

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Leitbild - Vision Das DLR - die führende und richtungsweisende öffentliche Forschungseinrichtung in Europa für seine Forschungsbereiche Luftfahrt, Raumfahrt, Verkehr und Energie Das DLR - die gestaltende Kraft für die europäische Raumfahrt in seiner Funktion als Raumfahrtagentur Das DLR - die Dachorganisation für die wirkungsvollsten und effizientesten Projektträger

7 DLR Forschungsbereich Luftfahrt
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > DLR Forschungsbereich Luftfahrt Optimierung der Leistung und der Umweltverträglichkeit des Gesamtsystems „Flugzeug“ Einflüsse des wachsenden Luftverkehrs auf die Umwelt, bessere Vorhersage der für den Flugbetrieb wichtigen Wetterfaktoren Weltweit führende Forschung in der Rotor-Aerodynamik, der Rotordynamik, sowie der Steuerung und Führung von Hubschraubern… Sicherer, nachhaltiger und effizienter Luftverkehr (Flugsicherung, Flugbetrieb)

8 Wie sieht das Flugzeug der Zukunft aus?
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Wie sieht das Flugzeug der Zukunft aus? Blended Wing Body (Nurflügler) Mehr Platz für Passagiere, leichter, weniger Treibstoffverbrauch Die Auslegung (z.B. theoretische Berechnungen der Aerodynamik oder Aeroelastik) im Computer gehen jeder Neuentwicklung in der Luftfahrt voraus Rump fließend in Flügel Aerodynamische Analyse: Farben = Druckverteilung

9 TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR. > 10. 05
Messflug des Forschungsflugzeugs Falcon über dem Eyjafjalla am 1. Mai 2010 - Große Mengen an Asche und Schwefeldioxid

10 Der Skyrider, eine Designstudie für den Individualverkehr der Zukunft
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Der Skyrider, eine Designstudie für den Individualverkehr der Zukunft - Personal Aerial Vehicles: In ferner Zukunft jedermann seine täglichen Wege durch die Luft

11 15 Meter über dem Boden: ATRA sammelt Insekten
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > 15 Meter über dem Boden: ATRA sammelt Insekten Entwicklung sogenannter Laminarflügler Geringer Strömungswiderstand Einsparpotenizial nur wenn keine Insektenhaftungen die laminare Strömung stören Messung Verschmutzung durch Insekten bei versch. Flugzuständen

12 Erster SolarImpulse-Prototyp HB-SIA über San Francisco
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Erster SolarImpulse-Prototyp HB-SIA über San Francisco Unterstützung beim Bau des Solarflugzeuges 2010 durchgängiger Tag- und Nachtflug Hier 2013 Flug durch die USA

13 DLR Forschungsbereich Raumfahrtforschung und -technologie
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > DLR Forschungsbereich Raumfahrtforschung und -technologie Erforschung des Weltraums Forschung unter Schwerelosigkeit Erdbeobachtung Kommunikation & Navigation Raumtransport Technik für Raumfahrtsysteme

14 Erdbeobachtung: Mit Satellitenbildern Naturkatastrophen vorbeugen
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Erdbeobachtung: Mit Satellitenbildern Naturkatastrophen vorbeugen Veränderungen des Vulkans Reventador in den Anden seit 2000 Farbige Bereiche zeigen junge Lavafelder Vulkanspitze: Zugewinn um 75 m Erdbeben Haiti 2010, Tsunami Japan 2011, aktuelle Waldbrände Schwere Überschwemmungen in Indien und Bangladesch Wie können Naturgefahren mit Erdbeobachtungssatelliten besser erkannt werden?

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Raumfahrttechnologie und Raumfahrtrobotik Der zweiarmige Roboter-Torso "JUSTIN" des DLR Roboter als verlängerter Arm des Menschen im Weltall Landen autonomer robotischer Systeme auf Himmelskörpern Übernehmen gefährlicher Aufgaben Unterstützung des Astronauten

16 SpaceLiner im Flug Suborbitalflug in 80 km Höhe
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > SpaceLiner im Flug Suborbitalflug in 80 km Höhe Vor dem Start aufrecht, Raketentriebwerke Nach 8 min. Gleitflug mit 20-facher Schallgeschwindigkeit In 90 min. nach Australien 50 Mitflieger in Passagierkapsel

17 DLR-Forschungsbereich Verkehr
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > DLR-Forschungsbereich Verkehr Nachhaltige Mobilität erreichen in einer Balance von Ökonomie Gesellschaft Ökologie Forschungsschwerpunkte: Bodengebundene Fahrzeuge Verkehrsmanagement Verkehrssystem Systemische Elektromobiliätsforschung

18 Transportsysteme auf dem Boden
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Transportsysteme auf dem Boden Der NGT NGT Elektrisch angetriebener doppelstöckiger Ultrahochgeschwindigkeitszug Seitenwindstabilität? Gefährdungsbetrachtung? Fahrdratlose Energieübertragung für Geschwindigkeiten bei 500 km/h Modell eines Elektrofahrzeugs

19 Das Auto von morgen kommuniziert mit der Verkehrsinfrastruktur
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Das Auto von morgen kommuniziert mit der Verkehrsinfrastruktur Informationen von Ampeln zur Geschwindigkeitssteuerung Autonomes Fahren

20 DLR Forschungsbereich Energie
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > DLR Forschungsbereich Energie CO2-Vermeidung durch Effizienz und erneuerbare Energien Synergien im DLR Forschungsthemen: effiziente und umweltfreundlichen Stromerzeugung thermischen, elektrochemische und chemischen Energiespeicherung Analyse und Entwicklung des gesamten Energiesystems

21 Windenergieforschung
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Windenergieforschung - Knowhow aus der Luftfahrt für leistungsstärkere, leisere und leichtere Windkraftwerke

22 Parabolrinnenanlage der Plataforma Solar del Almeria
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Parabolrinnenanlage der Plataforma Solar del Almeria Kollektorfeld eines Solarfarmkraftwerks bestehend aus Parabolrinnen Entkopplung des Stromproduktion von den Schwankungen der Sonneneinstrahlung durch Wärmespeicher Solarthermische Kraftwerke liefern auch nachts Strom

23 DLR Forschungsbereich Sicherheit
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > DLR Forschungsbereich Sicherheit Beurteilung und Beratung sicherheitsrelevanter Anwendungen mit dem Ziel, den Menschen zu unterstützen und zu schützen DLR-übergreifend: Flughafensicherheit (Luftfahrt/Verkehr) Satellitengestütztes Krisenmanagement (Raumfahrt) Dezentrale Energieversorgung (Energie) Verkehrsmanagement bei Großereignissen und das Katastrophenmanagment (Verkehr)

24 Landminen schneller aufspürbar durch Radar
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Landminen schneller aufspürbar durch Radar Durchsuchung von bis zu 100 qm in wenigen Minuten Bisher Spürhunde, Metalldetekteoren, Bodenradar deutlich weniger effektiv Antennen im Ultrahochfrequenzbereich zw. 500 Mhz und 4 Ghz seitwärts schräg nach unten Reflektierte Radarsignale werden mit Hilfe geeigneter Algorithmen zu Intensitätskarten

25 Neue Kommunikationsmöglichkeiten für die Notfallrettung
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Neue Kommunikationsmöglichkeiten für die Notfallrettung Zusammen mit Uni Münster Schnelle Suche nach geeigneter Klinik/Fachabteilung Schnelle direkte Kontaktaufnahme zw. Notärzten vor Ort und Fachärzten, die in Klinik weiterbehandeln Versorgung unter Anleitung des Facharztes

26 Die Entwicklungen des DLR beeinflussen unsere Welt von Morgen...
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Die Entwicklungen des DLR beeinflussen unsere Welt von Morgen...

27 Genug Arbeit für Mathematiker
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Genug Arbeit für Mathematiker Zur Entwicklung aller Systeme brauchen wir Mathematik Algorithmen Datenanalyse Simulation Visualisierung Und vieles mehr…

28 Anforderungen an Mathematikerinnen
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Anforderungen an Mathematikerinnen

29 Teamfähigkeit Arbeit in interdisziplinären Teams Ingenieure
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Teamfähigkeit Arbeit in interdisziplinären Teams Ingenieure Informatiker Physiker Wirtschaftswissen- schaftler Mediziner Psychologen Juristen …

30 Kommunikation Kommunizieren im interdisziplinären Team
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Kommunikation Kommunizieren im interdisziplinären Team Gute Kommunikation in Projekten notwendig für erfolgreiche Resultate Freude am Kommunizieren mit „fremden“ Fachdisziplinen sind daher sehr wichtig Fähigkeit zum Präsentieren und Publizieren sind notwendig Dafür gibt es viele Einblicke in verschiedenste Fachgebiete

31 Fachkenntnisse Interesse und Spaß an mathematische Herausforderungen
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Fachkenntnisse Interesse und Spaß an mathematische Herausforderungen Numerische Mathematik Optimierung Modellierung

32 Simulations- und Softwaretechnik
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Simulations- und Softwaretechnik

33 TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR. > 10. 05
Simulations- und Softwaretechnik Verteilte Systeme und Komponentensoftware Die Abteilung Verteilte Systeme und Komponentensoftware Steht für innovatives Software Engineering, Entwickelt anspruchsvolle Individualsoftwarelösungen für das DLR und Ist Partner in wissenschaftlichen Projekten im Bereich Simulations- und Softwaretechnologie

34 Verfahren und Software entwickeln
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Verfahren und Software entwickeln

35 Gemeinsam an Lösungen arbeiten
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Gemeinsam an Lösungen arbeiten

36 TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR. > 10. 05
Voneinander lernen

37 Verteilte Systeme und Komponentensoftware Arbeitsgebiete
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Verteilte Systeme und Komponentensoftware Arbeitsgebiete Verteilte Softwaresysteme Integration  Integrationsframeworks  Workflows  Mobile Systeme  Datenmanagement Software Engineering Software-Test  Software-Architektur  Design von Datenstrukturen  Schnittstellenprogrammierung  Wissensmanagement  Provenance High Performance Computing Numerische Algorithmen  Parallele Programmierung  Parallelisierungstechniken für moderne Architekturen

38 Projekte im High Performance Computing…
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Projekte im High Performance Computing…

39 Hubschrauber-Simulation: Freewake
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Hubschrauber-Simulation: Freewake Berechnet Strömung im Nachlauf des Rotors Ziel: Simulation der Rotorsteuerung Flugverhalten Lautstärke Kraftstoffverbrauch Materialbelastung Kurze Rechenzeiten benötigt: → modellbasierte Vortex-Lattice-Methode Zukünftige Herausforderungen: Gesamthubschrauber-Simulation → Differential-Algebraisches System Rotorblätter und Wirbel beim schnellen Vorwärtsflug

40 TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR. > 10. 05
Extremes Number-Crunching – Wie berechnet man Eigenwerte einer Matrix mit 1000 Milliarden Zeilen? Anwendung aus der Physik: „Wundermaterial” Graphen, Eletronisches Verhalten, Schrödinger Supercomputer mit Millionen CPUs (SuperMUC: > cores) Modifikation des Kohlenstoffs mit 2D bienenwabenförmiger Struktur Graphenoxid gasdicht und permeabel für Wassermoleküle: Wasserfilter, Destillator Speicherzellen Superkondensatoren und Akkus Umdenken in der Numerik: Effizienz ist (fast) alles Fehlertolerante und selbstorganisierende Verfahren Teilweise neue mathematische Analyse erforderlich

41 TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR. > 10. 05
Weltraumschrott Bezeichnet alle nicht-aktiven, nicht-kooperativen orbitalen Objekte, wie z.B. Ausgebrannte oder defekte Satelliten Verlorene Werkzeuge Trümmer aller Art (z.B. aus Kollisionen von Satelliten) Gefahr bereits ab 1 cm Größe Objekte, rund katalogisiert

42 Einsatz mathematischer Methoden
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Einsatz mathematischer Methoden Bahnbestimmung für Objekte Propagation Objektidentifikation Kollisionsvorhersagen (Missionsunterstützung) Tracking von Weltraummüll mit Hilfe von Lasern Quelle: GSOC (M. Weigel)

43 Optimierungsalgorithmen
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Optimierungsalgorithmen Optimierung ist eine wichtige mathematische Methode beispielsweise beim Design von Raumfahrzeugen und Flugzeugen Typische Szenarien: Viele verschiedene Disziplinen Mehrere nichtlineare Zielfunktionen Nichtlineare Nebenbedingungen Meist keine Gradienten der Zielfunktion vorhanden

44 Optimierungsalgorithmen
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Optimierungsalgorithmen Methoden: Approximation der Zielfunktionen durch Ersatzmodelle Strategien der multidisziplinären Design-Optimierung (MDO) Verwendung von Integrationsframeworks um verschiedene Simulationsprogramme zu verbinden Entwicklung neuer Algorithmen Ableitungsfreier Optimierungsalgorithmus ECDFO für nichtlineare Gleichheitsnebenbedingungen und ungleichungsbeschränkte Nebenbedingungen ECDFO: Equality and bound-Constrained Derivative-Free Optimization was minimiert werden soll, zum Beispiel ein Abstand, nennt man Zielfunktion. Das, was variiert wird, sind die Parameter oder Variablen der Zielfunktion. 2D: (also zwei unabhängige Parameter) kann man sich die Zielfunktion räumlich vorstellen, indem die Parameter die Längen- und Tiefenachse aufspannen. Die Höhe ist dann der Zielfunktionswert. Im Allgemeinen entsteht so ein „Gebirge“ mit Bergen und Tälern.

45 Optimierung mit Quantencomputern
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Optimierung mit Quantencomputern Lösung sehr schwerer kombinatorischer Probleme Suche nach erdähnlichen Planeten Missionsplanung Quelle: NASA, Kepler Mission Quelle: NASA Quelle: DLR-SC

46 Quantencomputer Qubits statt Bits
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Quantencomputer Qubits statt Bits Quanteneffekte erlauben die Betrachtung aller Bitmanipulationen gleichzeitig Optimierung: Finden des tiefsten Punktes einer Landschaft Parameter = Koordinaten und die Höhe = Kosten der Lösung Klassische Computer wandern über die Landschaft Quantencomputer können die Landschaft untertunneln mögliche Lösungen in einer Sekunde D-Wave: Quantum Annealing: Qubits von Superpositionszustand → Grundzustand Quelle: D-Wave Sys. D-Wave adiabatischer Quantencomputer Lösung von diskreten Optimierungsproblemen

47 Programmieren auf Quantencomputern
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Programmieren auf Quantencomputern D-Wave Maschine löst ein quadratisches binäres Optimierungsproblem: Hardwareeinschränkung: keine vollständigen Graphen Klassifizierung der Graphen nach Problemklassen Abbildung der Anwendungsprobleme auf Hardware min 𝑖 𝐻 𝑖 𝑠 𝑖 + 𝑖𝑗 𝐽 𝑖𝑗 𝑠 𝑖 𝑠 𝑗 with 𝑠 𝑖 ∈ 0,1 Quelle: D-Wave Sys. Zur Lösung diskreter Optimierungsprobleme Probleme können als Graph dargestellt werden Diese Graphen müssen auf D-Wave Hardware abgebildet werden Hier nur unvollständige Graphen erlaubt Sofern dies möglich ist und die Probleme nicht zu groß werden  Schnellere Problemlösung möglich Quelle: D-Wave Sys. Hardware: Keine vollständigen Graphen

48 Mathematiker hier? Interesse am Entwickeln von Software
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Mathematiker hier? Interesse am Entwickeln von Software Ohne Informatikkenntnisse geht es nicht! Mathematische Verfahren müssen (effizient) implementiert werden Die Software muss hohe Qualität haben Nutzung moderner Softwareentwicklungswerkzeuge Testen von Software Performanz  Performance-Engineering Offen sein für neue Programmiersprachen und -modelle

49 http://www.dlr.de/jobs/#Mathematik Jobs im DLR
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Jobs im DLR Angebote für Studenten: Praktika, Studienarbeiten, Bachelorarbeiten, Masterarbeiten, Diplomarbeiten, Doktorarbeiten Karriere: Student, wissenschaftl. Mitarbeiter, Projektleitung, Abteilungsleitung, Instituts-/Einrichtungsleitung, … Was es sonst noch gibt: Ausbildungen, Duale Studiengänge, technische und wissenschaftliche Mitarbeiter

50 Diskutieren Kontakt Margrit Klitz Simulations- und Softwaretechnik
TU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Diskutieren Kontakt Margrit Klitz Simulations- und Softwaretechnik Abt. Verteilte Systeme und Komponentensoftware