Wien. Astronomie, chinesische Politik oder neue Medikamente: Computermodelle sind in der Forschung zum unverzichtbaren Werkzeug geworden, um das Verhalten von komplexen Systemen möglichst genau vorherzusagen. Simulationen erlauben den wahrscheinlich seriösesten Blick in die Zukunft, der zurzeit vorstellbar ist. Neue Möglichkeiten durch immer bessere Rechenleistungen lassen Aufbruchstimmung entstehen.

Seit es Computer gibt, helfen sie dem Menschen dabei, Probleme zu lösen. Eines der ersten Computerexperimente wurde 1953 in Los Alamos (New Mexico, USA) durchgeführt. Beim sogenannten Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-Experiment untersuchte man das Schwingungsverhalten komplexer Systeme mit Hilfe des Universalrechners MANIAC I (Mathematical Analyzer Numerical Integrator And Computer Model I). "Was man historisch zuerst versucht hat zu simulieren, sind Spin-Modelle, stark vereinfachte Modelle für magnetische Materialien", erklärte der Komplexitätsforscher Stefan Thurner gegenüber APA-Science die Anfänge der Computersimulation.

Bis heute profitieren die Materialwissenschaften von der Simulation. Man weiß, wie die Atome aussehen, wie sie interagieren und der Computer errechnet daraus ein Aggregat von Eigenschaften: Ist das Material magnetisch oder nicht, leitet es elektrischen Strom, wann ist es rau, wann glatt oder durchsichtig. "Wie die Interaktionen und die Eigenschaften der Atome sind, das sagt mir die Quantenmechanik", so Thurner. Neue Materialien mit ganz neuen Eigenschaften im Labor zu entwickeln sei dagegen wie die Nadel im Heuhaufen zu suchen.

Gleiches Grundprinzip - unzählige Anwendungen

Das Grundprinzip von Simulationen ist bis heute unverändert geblieben, sagt Thurner: "Nur dass die Atome jetzt menschliche Akteure sind oder Institutionen, die Entscheidungen treffen müssen. Und die Wechselwirkungen sind nicht nur noch Quantenmechanik, sondern die sind anderer Art." Beispiele für den Einsatz von Simulationen finden sich quer durch alle Innovations- und Forschungsbereiche: Regen, Erderwärmung und Beben, die Verhaltensweisen von Verkehrsteilnehmern oder neue Therapien und Wirkstoffe können im Computer modelliert beziehungsweise prognostiziert werden.

In der Industrie wird einem physikalischen Objekt immer öfter ein "digital twin" zu Seite gestellt, auch das spart Zeit und Kosten, etwa für die Wartung oder die Entwicklung von Prototypen (siehe "Lernen am Modell der Industrie"). Und auch in der Stadtplanung gilt: "Ohne Simulation geht praktisch gar nichts", wie Bernhard Lipp, Geschäftsführer des Österreichischen Instituts für Baubiologie und -ökologie (IBO) erklärt. Mittlerweile werden selbst Quantencomputer simuliert, deren Technologie zwar erst in Ansätzen existiert, aber dennoch auf konventionellen Computern nachgestellt werden kann (siehe "Forscher testen Quantencomputer am Desktop-PC").