Datenwissenschaft und künstliche Intelligenz für das Gemeinwohl

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 25.03.2021

Das Bundesamt für Statistik (BFS) arbeitet mit dem «Swiss Data Science Center» der beiden Eidgenössischen Technischen Hochschulen zusammen, um die Nutzung der Datenwissenschaft und der künstlichen Intelligenz innerhalb der Bundesverwaltung voranzutreiben.

Die Digitalisierung der Gesellschaft erfordert bei Institutionen immer mehr Kompetenzen im Bereich Datenwissenschaft. Vor allem auf künstlicher Intelligenz basierende Ansätze müssen sicher und für die ganze Gesellschaft nutzbringend einsetzbar sein. In diesem Hinblick schliesst sich das BFS in seiner Vorreiterrolle innerhalb der Bundesverwaltung mit dem von den Eidgenössischen Technischen Hochschulen gemeinsam betriebenen «Swiss Data Science Center» (SDSC) zusammen.

Martin Vetterli, Präsident der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL), meint zu dieser Zusammenarbeit: «Ich freue mich sehr über diese strategische Partnerschaft zwischen unseren beiden Hochschulen und dem BFS im Rahmen eines gemeinsamen Flaggschiffprojekts. Sie erinnert an die Partnerschaft zwischen dem AlanTuring Institute in London und dem British Office for National Statistics, die sich ebenfalls gemeinsam für die Forschung und Innovation im Bereich der Datenwissenschaft einsetzen.»

Eine Zusammenarbeit auf drei Ebenen

BFS für Datenwissenschaft (DSCC) verstärkt. Die EPFL und die ETH Zürich unterstützen das BFS dabei, passende Kompetenzprofile für das DSCC zu ermitteln und die nötigen Fachpersonen zu rekrutieren. Die Mitarbeitenden werden zudem eingeladen, das SDSC «in residence» zu besuchen, um ihre Kompetenzen weiterzuentwickeln und sich mit den anderen in der Datenwissenschaft tätigen Akteuren in der Schweiz zu vernetzen. Schliesslich können die Partner prioritäre Projekte des DSCC bestimmen und sie gemeinsam umsetzen.

Eine zweite Ebene der Zusammenarbeit betrifft die Infrastruktur. Das DSCC wird die vom SDSC entwickelte Open-​Source-Plattform RENKU nutzen. RENKU ist in das akademische Netzwerk SWITCH integriert und ermöglicht die für das BFS zentrale Zusammenarbeit und Reproduzierbarkeit in den Bereichen Datenwissenschaft und künstliche Intelligenz. Das SDSC hat dafür für das BFS eine spezifische Instanz von RENKU geschaffen, die gewährleisten soll, dass die gesetzlichen Datenschutzgrundsätze systematisch umgesetzt werden. Die Daten verlassen in keiner Weise die Schweiz.

Drittens soll die Zusammenarbeit innerhalb der Bundesverwaltung das Verständnis fördern sowie den Wissenstransfer und Erfahrungsaustausch in den Bereichen Datenwissenschaft und künstliche Intelligenz gewährleisten.

Digitalisierung und öffentliche Verwaltung

«Mit dieser Partnerschaft hat das BFS die Möglichkeit, den für die Bundesverwaltung grundlegenden Auftrag zu erfüllen, den es im Mai 2020 vom Bundesrat erhalten hat», freut sich Georges-​Simon Ulrich, Direktor des BFS. «Über das per 1. Januar 2021 eingerichtete DSCC kann das BFS nun die Herausforderungen angehen, die mit den tiefgreifenden Veränderungen in der Welt der Daten und der zunehmenden Verwendung von Algorithmen im öffentlichen Sektor einhergehen.»

Konkret erbringt das DSCC datenwissenschaftliche Dienstleistungen für die gesamte Bundesverwaltung. Dazu bemüht es sich auch um eine Zusammenarbeit mit den anderen öffentlichen Verwaltungseinheiten (Kantone und Gemeinden). Das DSCC arbeitet im Grenzbereich der Datenwissenschaft und der künstlichen Intelligenz. Seine Aufgabe besteht darin, Kompetenzen zu entwickeln, um Methoden, Techniken und Praktiken aus der Datenwissenschaft und der künstlichen Intelligenz zu nutzen, die zu einem neuen Verständnis dieser Themen in der Politik beitragen. Dadurch soll die Entscheidungsfindung zum Wohl der Öffentlichkeit unter Einhaltung der ethischen Grundsätze verbessert werden.

Joël Mesot, Präsident der ETH Zürich, betont die Bedeutung dieser Partnerschaft: «Der Einsatz der Datenwissenschaft und der künstlichen Intelligenz im Dienst des Gemeinwohls ist eine der grössten Herausforderungen der Gegenwart. Die beiden ETHs sind stolz, ihr Knowhow in der Bundesverwaltung einbringen und sie dabei unterstützen zu können, die nötigen Kompetenzen aufzubauen, um der Gesellschaft als Ganzes einen Nutzen bringen zu können.»

Über das Swiss Data Science Center (SDSC)

2017 lancierte der ETH-​Rat eine nationale Initiative zur Förderung der Datenwissenschaft. Als wesentlichen Schritt zu diesem Ziel haben die ETH Zürich und die EPFL gemeinsam das Swiss Data Science Center (SDSC) gegründet. Es soll die Innovation in der Datenwissenschaft, die bereichsübergreifende Forschung und eine offene Wissenschaft fördern. Die Aufgabe des SDSC besteht darin, die Nutzung der Datenwissenschaft und des maschinellen Lernens im akademischen und industriellen Bereich voranzutreiben.

Externer Link: www.ethz.ch

Stauseen: Die Ressource Wasser einfacher schützen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 17.03.2021

Internationales Forschungsprojekt entwickelt anwendungsfreundliche Methoden zur vorausschauenden Beurteilung der Wasserqualität in Stauseen – Verringerter Datenbedarf ermöglicht globalen Einsatz

Stauseen sind weltweit für die Trinkwasserversorgung unverzichtbar. Um die Reservoire vor Verlandung, Überdüngung und Verunreinigung durch Schadstoffe zu schützen, muss ihre Wasserqualität vorausschauend beobachtet werden. Ein deutsch-brasilianisches Konsortium unter Federführung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat einfach anwendbare Mess- und Monitoringmethoden entwickelt, die sich besonders für Regionen mit begrenzter Datenverfügbarkeit eignen. Die Projektergebnisse belegen unter anderem, wie wirksam das gezielte Aufforsten im Einzugsgebiet von Stauseen ist.

Wird eine Verschlechterung der Wasserqualität frühzeitig erkannt, lassen sich Maßnahmen rechtzeitig implementieren und gefährdete Stauseen länger erhalten. Umweltmodelle unterstützen dabei, Stoffeintrag und Wasserqualität zu beobachten und zu beurteilen. Bisherige Modelle erfordern jedoch sehr große Datenmengen und einen hohen messtechnischen Aufwand; das macht sie ungeeignet für die Anwendung in datenschwachen Regionen. Das interdisziplinäre Projekt „Multidisziplinäre Datenerfassung als Schlüssel für ein global anwendbares Wasserressourcenmanagement“ (MuDak-WRM) hat in dreieinhalbjähriger Forschung in Brasilien und Deutschland Monitoringansätze, Modelle und Messtechniken erarbeitet, die möglichst einfach und allgemein verfügbar sind. Sowohl für die Berechnung der Wasserbilanz – der Differenz zwischen Wasseraufnahme und -abgabe – als auch für die Berechnung der Stoffeinträge aus dem Einzugsgebiet wurden Satellitendaten genutzt. „Wir haben gesehen, dass sich auch mit weniger Daten aussagekräftige Ergebnisse erreichen lassen“, sagt Dr. Stephan Hilgert, Geoökologe am Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) des KIT und Koordinator des Projekts.

Automatisierung der Datenverarbeitung

In das bisherige Stoffeintragsmodell fließt eine Vielzahl unterschiedlicher Informationen ein. Daher hat sich das Projektteam auf die beiden wichtigsten Eintragspfade konzentriert: die Stoffeinträge durch Erosion der Landoberfläche und die Abwassereinträge aus dem urbanen Umfeld im Zuflussgebiet von Stauseen. Exemplarisch untersucht wurden die Große Dhünntalsperre in Nordrhein-Westfalen und der Passaúna-Stausee im brasilianischen Bundesstaat Paraná.

„Ein wesentlicher Punkt war die Automatisierung der Verarbeitung von Satellitendaten, die zum Berechnen der Wasserbilanz und der Stoffeinträge etwa von Phosphor und Feststoffen genutzt werden“, erläutert Hilgert. Die erfolgreiche Automatisierung vereinfache die Anwendung der Modelle deutlich und erhöhe ihre Genauigkeit und Übertragbarkeit auf andere Einzugsgebiete. Das Konsortium aus Wissenschaft, kommunalen Verbänden und Industrieunternehmen hat Sensoren und Plattformen zur kontinuierlichen Erfassung der Wasserqualität entwickelt sowie eine Onlineplattform (Sensor Web) erarbeitet, mit der sich die Daten nutzerfreundlich erfassen, speichern und auswerten lassen.

Wirkung von Aufforstung berechnet

Die Projektergebnisse belegen unter anderem, dass eine Aufforstung von nur drei Prozent der landwirtschaftlich genutzten Fläche im Einzugsgebiet des Passaúna-Stausees zu einer Reduzierung der Sedimenteinträge von bis zu 26 Prozent führen kann. „Das Verlanden von Stauseen, durch das sich ihr Stauvolumen verringert, ist ein fundamentales Problem der kommenden Jahrzehnte, denn die Menschheit verliert aktuell mehr Stauvolumen, als hinzukommt“, sagt Hilgert.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass im Sediment gebundene Nährstoffe durch den Klimawandel in tieferen Schichten von Stauseen künftig die Wasserqualität verschlechtern können. „In den Subtropen befindet sich viel Phosphor bindendes Eisen im Boden und damit auch im Stausee-Sediment. Eisen bindet Phosphor aber nur, solange ausreichend Sauerstoff im Wasser zur Verfügung steht. Fehlt bei steigender Wassertemperatur längere Zeit Sauerstoff, kann sich der Phosphor lösen, was zur plötzlich massenhaften Vermehrung von Cyanobakterien, der Algenblüte, führt, und das Gewässer kippt“, erläutert der Geoökologe. Um diese Gefahr rechtzeitig zu erkennen, müssten Stauseebetreiber zusätzlich zur Auswertung von Satellitenbildern den Gewässerzustand, aber auch die Sedimentzusammensetzung seeintern überwachen, so Hilgert.

Das Projekt MuDak-WRM

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das 2017 begonnene und 2021 beendete Projekt MuDak-WRM mit 2,6 Millionen Euro in der Fördermaßnahme GROW (Globale Ressource Wasser) im Zuge des Programms „FONA – Forschung für Nachhaltigkeit“ gefördert. Am KIT waren die beiden Fachbereiche des IWG Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft sowie Wasserwirtschaft und Kulturtechnik sowie das Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) eingebunden. Zum Forschungskonsortium gehörten auf deutscher Seite die Universität Koblenz-Landau, der Wupperverband sowie die Unternehmen 52°North – Initiative for Geospatial Open Source Software GmbH, EFTAS Fernerkundungs-Technologietransfer GmbH, Hydron GmbH und TRIOS Mess- und Datentechnik GmbH. Auf brasilianischer Seite waren die Staatliche Universität von Paraná (UFPR) und die Universität Positivo sowie der Wasserversorger SANEPAR aktiv beteiligt. Assoziierte Partner in Brasilien waren das Instituto Paranaense de Assistência Técnica e Extensão rural (Paranaensisches Institut für ländliche Entwicklung, EMATER) und das Instituto das Aguas do Paraná (Wasserinstitut des Bundesstaates Paraná). (afr)

Externer Link: www.kit.edu

Wie werden gute Metalle schlecht?

Presseaussendung der TU Wien vom 15.03.2021

Ein Rätsel aus der Festkörperphysik konnte nun mit neuen Messungen gelöst werden: Wie kommt es, dass sich bestimmte Metalle scheinbar nicht an die gültigen Regeln halten?

Unter einem Metall kann sich jeder etwas vorstellen: Wir denken an feste, unzerbrechliche Objekte, die elektrischen Strom leiten und einen typischen metallischen Glanz zeigen. Das Verhalten klassischer Metalle, etwa ihre elektrische Leitfähigkeit, lässt sich mit wohlbekannten, gut erprobten physikalischen Theorien erklären.

Aber es gibt auch exotischere metallische Verbindungen, die Rätsel aufgeben: Manche Legierungen sind hart und spröde, spezielle Metalloxide können durchsichtig sein. Es gibt sogar Materialien genau an der Grenze zwischen Metall und Isolator: Durch winzige Änderungen der chemischen Zusammensetzung wird das Metall zum Isolator – oder umgekehrt. Dabei treten metallische Zustände mit extrem schlechter elektrischer Leitfähigkeit auf, man spricht von „schlechten Metallen“. Bisher schien es, als könne man diese „schlechten Metalle“ mit herkömmlichen Theorien einfach nicht erklären. Neue Messungen zeigen nun: So „schlecht“ sind diese Metalle gar nicht. Wenn man genau hinsieht, passt ihr Verhalten durchaus zu dem, was man schon bisher über Metalle wusste.

Kleine Änderung, großer Unterschied

Prof. Andrej Pustogow forscht mit seiner Arbeitsgruppe am Institut für Festkörperphysik der TU Wien an speziellen metallischen Materialien – es handelt sich um kleine, speziell im Labor gezüchtete Kristalle. „Diese Kristalle können die Eigenschaften eines Metalls annehmen, doch wenn man die Zusammensetzung minimal variiert, haben wir es plötzlich mit einem Isolator zu tun, der keinen Strom mehr leitet und bei bestimmten Frequenzen durchsichtig ist wie Glas“, sagt Pustogow.

Direkt an diesem Übergang stößt man auf ein ungewöhnliches Phänomen: Der elektrische Widerstand des Metalls wird extrem groß – und zwar größer, als es nach üblichen Theorien überhaupt möglich sein dürfte. „Elektrischer Widerstand hat damit zu tun, dass die Elektronen an einander oder an den Atomen des Materials gestreut werden“, erklärt Andrej Pustogow. Nach dieser Betrachtungsweise müsste der größtmögliche elektrische Widerstand gemessen werden, wenn das Elektron auf seinem Weg durch das Material an jedem einzelnen Atom gestreut wird – zwischen einem Atom und seinem Nachbarn befindet sich schließlich nichts, woran das Elektron aus seiner Bahn geworfen werden könnte. Doch bei sogenannten „schlechten Metallen“ scheint diese Regel nicht zu gelten: Sie zeigen einen noch deutlich höheren Widerstand als dieses Modell erlauben würde.

Auf die Frequenz kommt es an

Der Schlüssel zur Lösung dieses Rätsels ist, dass die Materialeigenschaften frequenzabhängig sind. „Wenn man den elektrischen Widerstand bloß misst, indem man eine Gleichspannung anlegt, bekommt man nur eine einzige Zahl – den Widerstand für die Frequenz 0“, sagt Andrej Pustogow. „Wir haben hingegen optische Messungen durchgeführt und dafür Lichtwellen mit ganz unterschiedlichen Frequenzen verwendet.“

Dabei zeigte sich, dass die „schlechten Metalle“ so „schlecht“ gar nicht sind: Bei niedrigen Frequenzen leiten sie zwar kaum Strom, aber bei höheren Frequenzen verhalten sie sich so, wie man das von Metallen erwarten würde. Das Forschungsteam nennt als eine mögliche Ursache winzige Mengen an Verunreinigungen oder Fehlstellen im Material, welche von einem Metall an der Grenze zu einem Isolator nicht mehr ausreichend abgeschirmt werden können. Diese Defekte können dazu führen, dass manche Bereiche des Kristalls keinen Strom mehr leiten, weil dort die Elektronen an einem bestimmten Ort lokalisiert bleiben anstatt sich weiterzubewegen. Wenn man an das Material eine Gleichspannung anlegt, sodass die Elektronen von einer Seite des Kristalls zur anderen wandern können, dann trifft praktisch jedes Elektron irgendwann eine solche isolierende Region, und Strom kann kaum fließen.

Bei hoher Wechselstromfrequenz hingegen bewegt sich jedes Elektron ununterbrochen hin und her – es legt im Kristall keinen weiten Weg zurück, weil es immer wieder die Richtung ändert. Das bedeutet, dass in diesem Fall viele Elektronen gar nicht in Kontakt mit einer der isolierenden Regionen im Kristall kommen.

Hoffnung auf wichtige weitere Schritte

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass optische Spektroskopie ein sehr wichtiges Werkzeug ist, um fundamentale Fragen der Festkörperphysik zu beantworten“, sagt Andrej Pustogow. „Viele Beobachtungen, für die man bisher glaubte, exotische, neuartige Modelle entwickeln zu müssen, könnten sich sehr wohl mit bekannten Theorien erklären lassen, wenn man diese adäquat ergänzt. Unsere Messmethode zeigt, wo die Ergänzungen notwendig sind.“ Bereits in früheren Studien konnte Prof. Pustogow mit seinen internationalen Kolleg_innen mittels spektroskopischen Methoden wichtigen Einblick in den Grenzbereich zwischen Metall und Isolator erlangen und damit ein Fundament für die Theorie schaffen.

Das metallische Verhalten von Materialien, in denen starke Korrelationen zwischen den Elektronen herrschen, ist auch besonders relevant für die sogenannte „unkonventionelle Supraleitung“ – ein Phänomen, das vor einem halben Jahrhundert entdeckt wurde, aber bis heute nicht vollständig verstanden ist. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Rise and fall of Landau’s quasiparticles while approaching the Mott transition. Andrej Pustogow et al., Nature Communications 12, 1571 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-21741-z

Externer Link: www.tuwien.at