Hochwasserschutz durch Mathematik

Wie Mathematik hilft, Umwelt und Mensch zu schützen, zeigt das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM beim Tag der offenen Tür im Bundeskanzleramt in Berlin. Dort stellen Forscher am 17. und 18. August verschiedene Projekte zur Nachhaltigkeit vor. Ein Beispiel ist der Hochwasserschutz durch Mathematik.

Sintflutartige Regenfälle, vollgelaufene Keller, überschwemmte Straßen und Unterführungen – seit Wochen verhagelt das Wetter in vielen Orten die Sommerferien. Statt Sonne gibt es Dauerregen und gewaltige Gewitter. Diesen Wassermassen ist das kommunale Abwassernetz oft nicht gewachsen. Die Folge: Schäden in Millionenhöhe. Doch wie groß müssen Abwasserkanäle sein? Wo fließt das Wasser hin, wenn das Entwässerungssystem überlastet ist? Antworten auf diese Fragen gibt eine neue Software, die Forscher des Fraunhofer ITWM entwickeln. Das System hilft, die Kanalisation so zu planen, dass sie bei möglichst geringen Kosten ausreichend groß dimensioniert ist.

Mit dem System können Planer die Leistungsfähigkeit eines Kanalnetzes bei Hochwasser beurteilen. Die Software simuliert, was bei Dauerregen passiert. Sie zeigt, welche Wassermassen die Kanalisation fassen kann und welche Straßen, Unterführungen und Plätze überschwemmt werden, sobald das Abwassersystem überläuft. Sogar wie hoch der Schaden je nach Wasserstand ist, ermittelt die Software. In dem Projekt arbeiten die Fraunhofer-Forscher eng mit Siedlungswasserwirtschaftlern, kommunalen Planern und Versicherungsfachleuten aus Deutschland und Norwegen zusammen. Erste Ergebnisse stellen die Forscher im Kanzleramt vor.

Der Tag der offenen Tür hat in diesem Jahr den Schwerpunkt »Nachhaltigkeit«. Dass auch die Mathematik dazu beiträgt, Ressourcen zu sparen, zeigt das ITWM. Ein Schlüssel zu mehr Nachhaltigkeit ist die Integrierte Produktpolitik (IPP). Sie berücksichtigt die Umweltauswirkungen eines Produkts über den gesamten Lebensweg – von der Wiege bis zur Bahre. Im Projekt »Innovative Simulationstechniken als Werkzeug einer integrierten Produktpolitik am Beispiel von Formpressteilen im Automobilbau« setzt das ITWM mathematische Methoden ein, um zum einen Beispiel Dachhimmel IPP-gerecht zu entwickeln. Die Optimierung mittels Computersimulationen erleichtert die Entwicklung von akustisch und mechanisch wirksamen Dachhimmeln und Verkleidungen aus sortenreinen, stofflich wieder verwertbaren Polyestervliesen. So kann der Stoffkreislauf Rohstoff – Faser – Formpressteil – Rohstoff geschlossen werden. »Durch Computersimulation ist es möglich, in der IPP-gerechten Produktentwicklung eine Vielzahl potenzieller Möglichkeiten durchzuspielen. Das spart Material, Energie und Zeit«, betont Prof. Dr. Dieter Präzel-Wolters, Leiter des ITWM.

Auch der Mensch profitiert von der Mathematik. So ermittelt zum Beispiel ein Softwareprogramm das Risiko für den plötzlichen Herztod. In Deutschland sterben stündlich zehn Menschen den plötzlichen Herztod, der in den meisten Fällen auf Rhythmusstörungen des Herzens zurückzuführen ist. Die noch experimentelle Software analysiert die EKG-Daten und erkennt krankhafte Abweichungen im Rhythmus. Der Arzt kann den Patienten entsprechend behandeln.

Neben diesen drei Projekten präsentieren die Forscher weitere Informationen zum Thema »Nachhaltigkeit durch Mathematik« im Garten des Kanzleramtes. In diesem Jahr lädt die Bundesregierung bereits zum dritten Mal interessierte Bürger zum Tag der offenen Tür ein. Insgesamt werden etwa 100 000 Besucherinnen und Besucher erwartet.