Gesundheit : Mathematik oder die Kunst, ein Motorrad zu warten

Der Leibniz-Preisträger Rupert Klein gießt turbulente Strömungen in Formeln

Thomas De Padova

Rupert Klein ist leidenschaftlicher Motorradfahrer. Wenn die Urlaubszeit kommt, satteln er und seine Frau Zelt und Schlafsack auf und ziehen los in Richtung Alpen. Immer schön im Zick-Zack fahren sie über die Pässe: rauf auf die Berge und wieder runter, bis Nizza und wieder zurück.

Bereits als Schüler hat der gebürtige Wuppertaler Mopeds angekurbelt und auseinander genommen. „Ich habe mich damals schon mit akustischen Wellen befasst, die im Auspuffrohr hin und her laufen“, sagt er. Keine 30 Jahre später ist Rupert Klein Mathematik-Professor an der Freien Universität Berlin und ein Experte für die Ausbreitung von Wellen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft zeichnet ihn und zehn weitere Wissenschaftler nun mit dem Leibniz-Preis aus, dem mit 1,55 Millionen Euro höchstdotierten deutschen Forschungspreis.

Klopfzeichen

Am Anfang war es vielleicht nur eine kleine Irritation. Aber das immer wiederkehrende Klopfen und Klingeln im Motor hat Klein beinahe die ganze berufliche Karriere hindurch begleitet. Zunächst als Maschinenbauer in Aachen, wo er sich eingehend damit auseinander setzte, wie die Verbrennung im Motor vor sich geht, später dann als Mathematiker bei Computersimulationen.

Mit Klopfgeräuschen im Motor haben etliche Autofahrer bereits unangenehme Bekanntschaft gemacht. Normalerweise entzündet ein Zündfunke das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Motor. Es brennt dann im Zylinder entlang einer von der Zündkerze weg wandernden Flammenfront ab. Doch derart kontrolliert verläuft dieser Prozess nicht immer. Es kommt mitunter zu Selbstzündungen in der Verbrennungskammer, die sehr heftig ablaufen. Dieses Klopfen kann schwere Motorschäden hervorrufen, wenn es sich wiederholt.

Das fiel wohl schon Nicolaus August Otto auf, als er seinen ersten Viertakt-Versuchsmotor baute. Er schrieb über die Maschine: „1862 lief dieselbe und war auch in demselben Jahr total ruiniert durch die heftigen Stöße, welche in der derselben auftraten.“

Rupert Klein skizziert den Ottomotor auf einem Notizblock und holt seinen Laptop aus der Aktentasche. Auf dem geöffneten Bildschirm erscheinen farbige Diagramme, deren Abfolge zu erkennen gibt, wie sich Flammenfronten in einem Rohr ausbreiten: Erst breiten sich die Flammen langsam aus, doch plötzlich bildet sich eine neue, scharfe Front. Eine haarfeine rote Linie auf dem Monitor markiert den Übergang zu einer vehementen Explosion.

Solche Wechsel von großräumigen Wellenbewegungen hin zu winzigen Turbulenzen gibt es überall in der Natur. Hinter einem Brückenpfeiler im Fluss etwa bilden sich nicht nur große Strudel, sondern daneben klitzekleine Wirbel. Im amerikanischen Princeton hat Klein nach seiner Doktorarbeit erforscht, wie sich die dünnen Wirbel mathematisch beschreiben lassen.

Er studierte nun die Verwirbelungen der Luft, die an den Tragflächen von Flugzeugen entstehen. Sie gehören zu den wenigen Beispielen, die sich heute – dank Kleins Analysen – mit der gewünschten mathematischen Strenge behandeln lassen. „Das war für mich ein großer Schritt“, sagt er. Denn beruflich war nun eine neue Weiche gestellt.

Seine Ergebnisse aus der analytischen Mathematik übersetzte Klein in den Folgejahren sukzessive in Computersimulationen für verschiedene Strömungsprozesse. Seit fünf Jahren ist er Mathematikprofessor in Berlin und am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung beheimatet. Denn auch bei Luftbewegungen in der Atmosphäre kommen seine Modelle zum Tragen. „Aber meine Aufgabe ist es vor allem, die Denkweise der Mathematik und ihre rigorosen Methoden in die Klimaforschung einzubringen.“ Ein nicht immer leichtes Unterfangen, angesichts des breiten Fächerspektrums, das das Potsdamer Institut unter einem Dach vereint.

Beim Kauf eines neuen Computers etwa möchten Klimaprognostiker und Meteorologen die hinzugewonnene Rechenleistung gleich dazu verwenden, die Vorhersagemodelle in noch kleinere Parzellen zu zerlegen. Nur so lassen sich regionale Veränderungen des Klimas oder des Wetters im Detail ermitteln.

„Dem Mathematiker sträuben sich da die Haare“, sagt Klein. „Oben auf seiner Wunschliste steht nicht, gleich etwas Neues zu machen, sondern erst einmal zu testen, ob das, was bisher gemacht wurde, auch gut genug ist.“ Dem Mathematiker geht es vorrangig um die Qualität der Aussagen. Er möchte gewährleisten, dass sich die mathematischen Strukturen, die in den Modellen stecken, sinnvoll ergänzen und nicht zu Kunstfehlern führen, wie sie in der Vergangenheit immer wieder aufgetaucht sind.

Der Brückenschlag zwischen Angewandter Mathematik und Klimaforschung bezieht die Sozialwissenschaften gleichermaßen ein. Denn die Klimaentwicklung beeinflusst das Wohlbefinden der Menschen – und sie hat Folgen für Wirtschaft und Politik.

„Die Integration von Sozial- und Naturwissenschaften liegt mir besonders am Herzen“, sagt Klein. Und obwohl ihm im Berliner Umland die Berge fehlen, die er mit seinem Motorrad so gerne überquert, sieht er zumindest in der hiesigen Forschungslandschaft ein Terrain mit vielen Gipfeln vor sich, die es noch zu erreichen gilt.

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