Weltweit gibt es unzählige Forschungseinrichtungen, bei denen durch Experimente und Simulationen sowohl viele als auch große Forschungsdatensätze entstehen. In diesen Daten sind Informationen enthalten, die Antworten auf aktuelle Forschungsfragen liefern. Die zunehmende Menge an Forschungsdaten und deren komplexe Zusammenhänge erfordern einen bewussten und organisierten Umgang, um deren Zugänglichkeit, Reproduzierbarkeit und Nutzung zu ermöglichen. Ein Informationsverlust bei der Datenverarbeitung, beispielsweise durch den Wechsel der Doktorandengenerationen, wird durch ein gut strukturiertes Forschungsdatenmanagement vermieden.

Die Karlsruher Dateninfrastruktur für die Materialwissenschaften, kurz Kadi4Mat, wurde geschaffen, um für kleine und große Forschungsverbünde und als Teil der durch Bund und Länder geförderten Nationalen Forschungsdateninfrastruktur eine Lösung für die Verarbeitung und Organisation von Forschungsdaten zu ermöglichen. Dazu soll Kadi4Mat zukünftig den gesamten Forschungsablauf von der Datenerstellung, über die Anbindung von Geräten für Experimentatoren und Simulationsumgebungen bis hin zur Datenveröffentlichung strukturiert abdecken. Der Schwerpunkt der Infrastruktur liegt auf dem Datenmanagement sowie der Anwendung von maschinellem Lernen. „Das Speichern, Austauschen und Zugänglichmachen großer Mengen von Forschungsdaten, einschließlich der entsprechenden Metadaten, ist eine große Herausforderung in den Ingenieurwissenschaften und wird immer wichtiger. Dies gilt auch für unser Fachgebiet der Materialwissenschaften, bei dem das Verständnis der komplexen Zusammenhänge der Mikrostruktureigenschaften für die Entwicklung neuer Materialien immer wichtiger wird“, erläutert Dr. Michael Selzer, der am Institut für Angewandte Materialien mit einer eigens dafür geschaffenen Gruppe für die methodische und informatische Entwicklung der Plattform verantwortlich ist.

Übergeordnetes Ziel der neuen Software ist die Kombination der Datenverwaltung mit der Datenanalyse, -visualisierung und -transformation. Weltweit gibt es diverse Softwarelösungen, die Forschende bei ihrer Arbeit unterstützen. Diese sind jedoch häufig nicht kompatibel untereinander. Das soll sich mit Kadi4Mat ändern, in dem die Datenverarbeitung transparenter gestaltet wird. Die modulare Architektur ermöglicht, die individuellen Bedürfnisse unterschiedlicher Wissenschaftler abzudecken und zukünftig neben den Materialwissenschaften auch andere Fachdisziplinen zu unterstützen. Erste Brücken in Richtung Geowissenschaften, Medizintechnik, Produktionstechnik und Sportwissenschaften werden gerade gebildet.

Kadi4Mat wird im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte entwickelt, unter anderem dem Kompetenzzentrum für Festkörperbatterien FestBatt, dem Exzellenzcluster für Post-Lithium-Speicherung (POLiS) sowie dem Wissenschaftlichen Datenzentrum für Molekulare Materialforschung (MoMaF). Die Plattform ist seit Kurzen in produktivem Einsatz. Als Teil der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur für die Ingenieurwissenschaften NFDI4Ing, einer vom Bund geförderten Initiative, ist eine langfristige Weiterentwicklung auf nationaler Ebene sichergestellt. Eine Anbindung an europäische Netzwerke wird durch die Mitwirkung von Kadi4Mat innerhalb des EU-Projekts Musicode erreicht.

In den nächsten Jahren geht es neben der Einbindung weiterer Funktionen vor allem darum, den Mehrwert und das Potenzial der Plattform bekannter zu machen. „Wir möchten eine Sensibilisierung für das Forschungsdatenmanagement erreichen und auf die vielseitigen Nutzungsmöglichkeiten von Kadi4Mat aufmerksam machen. Hierdurch sollen potenzielle Nutzer überzeugt werden, ihre Daten außerhalb ihres eigenen Bereichs zur Verfügung zu stellen und im Austausch Zugriff auf Daten anderer Forscher zu erhalten“, erklärt Prof. Nestler.

Anwendungsbeispiele

Dr. Patrick Altschuh hat im Rahmen seiner Promotion am KIT Arbeitsflüsse für die Strukturanalyse erarbeitet. „Ziel war es, den Flüssigkeitstransport in einer porösen Membranstruktur vorherzusagen. Dafür haben wir mithilfe eines raumfüllenden Algorithmus mehrere Tausend verschiedene Strukturen generiert und charakterisiert, wodurch der Einfluss morphologischer Charakteristika auf den Flüssigkeitstransport analysiert werden konnte. Der im Workflow-Editor von Kadi4Mat nachgebildete Arbeitsfluss wird bei einem Industriepartner eingesetzt und dient der Qualitätssicherung“, berichtet Dr. Altschuh.

Dr. Ephraim Schoof ermittelt im Rahmen der Batterieforschung des Exzellenzclusters POLiS die Datenmanagementbedarfe aus den Arbeitsflüssen der Forschenden und erweitert die Möglichkeiten zur Organisation der Daten in Kadi4Mat. „Ein typischer Workflow ist das Eintragen von Experimentdaten und deren zugehörigen Metadaten in die Onlineplattform. Dank vorhandener Auswerteroutinen können diese Daten weiter analysiert, ausgewertet und direkt in automatisch generierten Berichten zusammengefasst werden“, beschreibt Dr. Schoof.  

„Eine vernünftige Datenhaltung und Datenverarbeitung ist essenziell, um die Materialentwicklung zeitgemäß zu machen. Nur durch saubere, transparente und nachhaltige Abbildung von Datenflüssen kann die Materialentwicklung effizient beschleunigt werden.“

Weiterführende Links

• Institut für Angewandte Materialien (IAM)

Bilder: Copyright KIT· Sandra Göttisheim / KIT