Digitale Zwillinge

Ein Digitaler Zwilling des Erdsystems ist eine digitale Kopie der Erde. Diese veranschaulicht den Ist-Zustand der Erde sowie ihre zeitliche Entwicklung. Dabei entspricht sie dem gegenwärtigen Stand der Forschung und den Gesetzen der Physik.

Digitale Zwillinge können potenzielle Zukunftsszenarien visualisieren, die abhängig sind vom menschlichen Handeln. Sie können aufzeigen, welche Weichen gestellt werden müssen, um negative Szenarien zu vermeiden und entsprechend vorauszuplanen. Digitale Zwillinge beantworten „Was Wäre Wenn“-Fragen.

Die Projektgruppe sammelt Ideen zur Modellierung von und Forschung an Digitalen Zwillingen. Die Forschenden entwickeln eine gemeinsame Definition für einen Digitalen Zwilling innerhalb des Helmholtz Forschungsbereichs Erde & Umwelt.

Das Synthesepapier Digital Twins of Planet Earth bietet einen Überblick über die Forschung zu Digitalen Zwillingen im Forschungsbereich Erde & Umwelt. Die aktuelle Version des Synthesepapiers kann hier heruntergeladen werden.

Definition

Ein digitaler Zwilling (DT) ist eine virtuelle Darstellung eines realen Prozesses oder Objekts mit einer wechselseitigen Verbindung zwischen den beiden. Dies bedeutet, dass Änderungen im realen Objekt nahezu in Echtzeit in einen DT integriert werden können und verschiedene Rand-/Anfangsbedingungen oder Parameter des DTs verwendet werden können, um potenzielle "Was-wäre-wenn"-Szenarien des realen Objekts zu simulieren. Die Nutzung des Konzepts eines digitalen Zwillings hat eine lange Tradition im industriellen Ingenieurwesen und Design, um wünschenswerte Ergebnisse zu optimieren. Die rasante Entwicklung der digitalen Technologie, mit dem exponentiellen Anstieg der Leistungsfähigkeit von Prozessoren und elektronischen Speichern, ermöglicht es uns nun auch, digitale Zwillinge des hochkomplexen Erdsystems mit seinen miteinander verknüpften Prozessen zu erstellen, was ein effektives Entscheidungswerkzeug zur Optimierung menschlicher Eingriffe bietet.

Digitale Zwillinge in Helmholtz Erde & Umwelt:

Das Konzept der Digitalen Zwillinge (DTs) in Helmholtz Erde & Umwelt zielt darauf ab, anspruchsvolle digitale Darstellungen der Teilsysteme der Erde zu erstellen. Diese DTs werden verschiedene Datenströme integrieren und so detaillierte und dynamische Modellierungen ermöglichen. Wichtige Bereiche für DTs in Helmholtz Erde & Umwelt sind Klima, Ozeane, Georisiken, Wasser, Stadtentwicklung und Bioökonomie.

Eine bedeutende Initiative mit Beiträgen von Wissenschaftler:innen von Helmholtz Erde & Umwelt ist das EU-Projekt Destination Earth, das sich auf die Entwicklung hochauflösender DTs konzentriert, um Klimaauswirkungen besser zu verstehen und die Entscheidungsfindung zu unterstützen. Der Digitale Zwilling des Klimasystems wird Daten in Kilometerauflösung bereitstellen, was die Fähigkeit zur Planung und Reaktion auf klimainduzierte Ereignisse verbessert. Dieser DT wird fortschrittliche physikalische Modelle integrieren, die die Abhängigkeit von Näherungen reduzieren und genauere Vorhersagen ermöglichen.

Der Digitale Zwilling des Ozeans (DTO) adressiert die zentrale Rolle der Ozeane im Erdsystem. Trotz Fortschritten in marinen Beobachtungsnetzwerken bleiben viele Regionen unterüberwacht. DTOs zielen darauf ab, interoperable Systeme zu schaffen, um die Datenklarheit zu verbessern und Beobachtungslücken zu schließen. Hybride Ansätze unter Einsatz von KI werden die Genauigkeit und Nützlichkeit von Ozeanmodellen für Entscheidungsträger verbessern.

Für geophysikalische Extreme konzentriert sich das EU-Projekt DT-GEO auf die Vorhersage und Analyse der Auswirkungen von Ereignissen wie Erdbeben und Tsunamis. Diese Initiative umfasst die Integration von Echtzeitdaten, um Frühwarnsysteme und Gefahrenbewertungen zu verbessern.

DTs für terrestrische Systeme zielen darauf ab, die Interaktionen zwischen abiotischen und biotischen Prozessen zu modellieren. Diese DTs werden wesentliche Daten für nachhaltiges Landmanagement und Bioökonomie bereitstellen und Herausforderungen wie Biodiversitätsverlust und Bodengesundheit ansprechen. Ein besonderer Fokus liegt auf Wassersystemen, mit einem geplanten Water Twin, der kontinuierlich mit Klimamodellen interagieren wird, um die hydrologische Vorhersage zu verbessern.

In urbanen Gebieten werden DTs bei der Planung und Reaktion auf Klimaauswirkungen helfen, indem sie hochauflösende Daten zur Modellierung von Stadtklimaten und Infrastrukturen einbeziehen. Diese DTs ermöglichen es Städten, sich effektiver an den Klimawandel anzupassen, indem sie Echtzeitdaten für eine reaktionsschnelle Planung nutzen.

Digitale Zwillinge für eine nachhaltige Bioökonomie befassen sich mit der Schaffung nachhaltiger Materialkreisläufe auf der Basis erneuerbarer Rohstoffe.