Physik Nachhilfe: Sicherheit in Technik und Umwelt mit Naturwissenschaften

Die nunmehr aus den Sommerferien zurückgekehrten Familien haben während der Ferienzeit mehr oder weniger große Entfernungen mit unterschiedlichen Verkehrsmitteln – Flugzeug, Schiff, Bahn, Automobil – zurückgelegt. Sie sind hoffentlich alle heil und gesund wieder heimgekehrt. Selbstverständlich ist das allerdings nicht.

Unsere Verkehrssysteme werden nach geltenden Vorschriften hinsichtlich ihrer Funktion und Umweltauswirkungen gebaut und vor Indienststellung geprüft und genehmigt. Diese Vorschriften – nationale wie internationale – sind überwiegend „vorschreibender Art“, sie legen Auslegungsvorschriften fest, die einzuhalten sind. Diese sind im Wesentlichen entstanden aus der Erfahrung – meist schlechten – während der Historie des Betriebes und der Anwendung.

Die landläufige Meinung ist: Verkehrsmittel – und das gilt im erweiterten Sinne für alle technischen Anlagen – die nach derartigen verbindlichen Vorschriften gebaut sind, sind sicher im Betrieb und im Hinblick auf die Umwelt.

Leider haben spektakuläre Unfälle – unter anderem mit Flugzeugen, Schiffen, Plattformen zur Öl- und Gasgewinnung aus dem Meer – mit zum Teil katastrophalen Folgen für Menschen und Umwelt – diese Illusion getrübt. Über derartige Vorfälle wird in den Medien immer mehr im Detail und mit Emphase berichtet. Die Gesellschaft reagiert weltweit zunehmend erheblich sensibler auf diese Ereignisse und fordert ein Verbesserung der Sicherheit menschlichen Lebens und die Vermeidung von Umweltschäden – wie zum Beispiel die Ölverschmutzung jüngst im Golf von Mexiko. Der Druck für alle Verantwortlichen im weitesten Sinne wächst.

Die Naturwissenschaftler und Techniker haben schon recht erfolgreich reagiert. In umfangreichen Forschungsprojekten wurden in internationaler Zusammenarbeit, unter Beteilung aller relevanten Sparten, Mittel und Wege erarbeitet, wie die geltenden Vorschriften erweitert und ergänzt werden müssen, um die Sicherheit als quantifiziertes – also in Zahlen beschreibbares – Entwurfsziel zu definieren und dieses dann auch im Entwurf und in der Konstruktion zu realisieren. Und natürlich stehen wegen der direkten Betroffenheit von Menschen hierbei Verkehrssysteme in vorderster Reihe.

Eine der wesentlichen Aufgaben hierbei ist die wirklichkeitsgetreue Nachbildung – Modellierung – der verschiedenen Systeme – sei es ein Flugzeug, ein Schiff, ein Bahnsystem oder eine Offshoreplattform – wobei die verschiedenen sicherheitsrelevanten Funktionen sowie mögliche Auswirkungen auf die Umwelt realitätsecht darstellbar sein müssen.

Das bedeutet, dass Werkzeuge und Simulationsmodelle entwickelt werden müssen, mit deren Hilfe der Entwurf  / die Konstruktion derartiger Systeme im Sinne verbesserter Sicherheit unter Anwendung quantifizierter Kriterien optimiert werden können.

Dazu müssen die Entwickler alle Register der relevanten Naturwissenschaften ziehen. Die physikalischen Zusammenhänge für die jeweilige Anwendung müssen mit mathematischen Methoden in die Sprache des verwendeten Simulations-Werkzeuges umgesetzt werden.

Um das Zeitverhalten der zu untersuchenden Objekte zu simulieren, müssen die für das System gültigen Differentialgleichungen mit ihren physikalisch bedingten Verknüpfungen formuliert werden.

Im Bereich der Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit spielen statistische Methoden, wie zum beispiel die Fehler-Baum-Analyse eine vorrangige Rolle. Im Feld der mechanischen Strukturen gilt es, mit der Methode der finiten Elemente im Raume die Wirkungen von Kräften und Drehmomenten bei den verschiedenen im Betrieb auftretenden Belastungen zu untersuchen. Das hierfür nötige Basiswissen ist – mehr oder weniger ausgeprägt – Bestandteil der Lehrpläne im Physik- (Bewegungs- / Strömungs- / Wärmelehre / Mechanik / Elektrophysik etc.)  und im Mathematikunterricht (uunter anderem Analysis / Statistik / Vektorrechnung) der Mittel- und Oberstufen an unseren Schulen.

Die frohe Botschaft hieraus: Es gibt auf diesen Gebieten noch viel zu unser aller Wohl zu tun. Mit entsprechender Motivation auf Seiten der Lehrenden und Lernenden, wozu dieser Exkurs einen Beitrag leisten soll, gibt es inhaltlich und wirtschaftlich viel versprechende Zukunftsperspektiven für spannende Aufgaben mit hohem gesellschaftlichen Stellenwert: Mehr Sicherheit für Mensch und Natur durch angewandte Naturwissenschaften. Also packen wir es an!