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Göttinger Forscher untersuchen optimale Synchronisation komplexer Systeme

Besser koordinieren durch weniger Einfluss Göttinger Forscher untersuchen optimale Synchronisation komplexer Systeme

Für die optimale Synchronisation komplexer Systeme haben Grundlagenforscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation eine neue Methode entwickelt und getestet. Die Methode macht eine zeitweise Interaktion und damit zumindest in Simulationen eine verbesserte Synchronisation möglich.

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Stromnetze zählen zu komplexen Systemen, die für einen stabilen Betrieb synchron laufen müssen.

Quelle: dpa

Göttingen. Ob Menschen, Glühwürmchen oder Kraftwerke: Synchronisation tritt in vielen sozialen, biologischen und technischen Systemen auf und spielt dort eine große Rolle. Wollen Menschen einen Kompromiss finden, erfordert das ein „Synchronisieren“ verschiedener Meinungen. Genauso koordinieren Glühwürmchen ihr Leuchten. Auch müssen Generatoren in Stromnetzen für den stabilen Betrieb dieser synchron laufen. In vielen komplexen Systemen kann es allerdings schwierig sein, die einzelnen Einheiten zu synchronisieren.

Zur Abstimmung verschiedener Einheiten, seien es einzelne Menschen, Glühwürmchen oder Generatoren, ist Interaktion nötig. Intuitiv würde man annehmen, dass mehr Interaktion die Synchronisation, also den zeitlich aufeinander abgestimmte Ablauf von Prozessen, erleichtert. Oftmals ist dies auch der Fall. Allerdings können stärkere Wechselwirkungen in einigen chaotischen dynamischen Systemen dazu führen, dass Synchronisation nicht mehr möglich ist. In vielen experimentellen und technischen Systemen kann die Kopplungsstärke allerdings nicht beliebig verändert werden. Es geht darum, solche Systeme stabil zu synchronisieren.

Oftmals ist der Effekt der Wechselwirkung abhängig vom Zustand des Systems. Diese Tatsache brachte die Forscher, neben den Göttingern waren auch Forscher aus Indien beteiligt, auf die Idee, die Interaktion einzuschränken. „Anstatt die einzelnen Einheiten dauerhaft zu koppeln, lassen wir Interaktion nur zeitweise zu“, erklärt Prof. Marc Timme, Leiter der Forschungsgruppe Netzwerk Dynamik. „Bildlich gesprochen: Glühwürmchen würden ihren Rhythmus nicht dauerhaft anpassen, sondern nur in dem Moment, in dem sie das Blinken eines anderen Glühwürmchens beobachten.“

Um den Effekt dieses Entkoppelns genau zu beschreiben, untersuchten die Göttinger Forscher die Methode in verschiedenen Systemen mit Hilfe numerischer Simulationen. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass Synchronisation dadurch stabiler sein kann und deshalb in vielen Systemen häufiger möglich ist", unterstreicht Malte Schröder, Promotionsstudent bei Timme. Insbesondere können durch die Göttinger Methode viele Systeme für beliebig starke Wechselwirkungen synchronisiert werden, auch wenn das mit normaler, zeitlich durchgehender Kopplung nicht der Fall ist. Anhand dieser Erkenntnisse ist es theoretisch möglich, bestimmte Systeme besser und stabiler zu synchronisieren. Die Forscher denken an selbst organisierte Kommunikationsnetzwerke, kabellose Sensornetzwerke oder möglicherweise auch künstlich erzeugte biologische Systeme wie gekoppelte Herzzellen.

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