Digital Analytical Sciences: Warum sie unentbehrlich sind

Essay von Prof. Ulrich Panne, Präsident der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und Sprecher der Initiativgemeinschaft Außeruniversitärer Forschungseinrichtungen in Adlershof e. V. (IGAFA)

Wir leben in der Digitalität, d. h. Vernetzung von „digitalen“ und „analogen“ Wirklichkeiten. Diese alltägliche Verschränkung führt zu dauerhaften Veränderungen der Zusammenhänge in Lebens- und Arbeitswelten. Digitalität verändert den Prozess der Forschung, da Erkenntnisse aus digitalen Daten nicht mehr von der Prozessierung getrennt werden können. Die digitale Transformation erfasst damit jeden Bereich der natur- und ingenieurswissenschaftlichen Forschung, auch der Analytik.

In den 1970er Jahren hat die Fachgruppe Analytische Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) eine Definition der Analytik (engl. „Analytical Sciences“) geprägt: „Chemische Analytik ist die Wissenschaft von der Gewinnung und verwertungsbezogenen Interpretation von Information über stoffliche Systeme mithilfe naturwissenschaftlicher Methoden.“ In dieser kondensierten Beschreibung wird der starke Bezug zur Prozessierung von Daten in der Analytik bereits sichtbar. Der Ausgangspunkt der Analytik ist dabei fast immer eine Probe. In der Auseinandersetzung mit der Probe kommt es dann induktiv zur Formulierung einer wissenschaftlichen Hypothese, die deduktiv durch Experimente bestätigt oder verworfen werden kann. Erst dieser Prozess, die Frage nach dem Warum, macht Analytik zu einer wissenschaftlichen Disziplin und nicht zu einer „unentbehrlichen Dienstmagd“, wie W. Ostwald im ersten Lehrbuch der Analytischen Chemie 1901 bemerkte. Das Gebiet der Analytical Sciences ist heute so entscheidend für viele wissenschaftliche und technische Problemlösungen und Innovationen.

Facts are becoming cheap in the digital age: Nachdem jahrhundertelang zunächst die Beobachtung von Phänomenen, z.  B.  Astronomie, im Zentrum wissenschaftlicher Arbeit lag, erfolgte mit der Neuzeit die theoretische, mathematische Beschreibung der Beobachtungen. Eine algorithmische, mathematische Kompression von Beobachtungen erlaubt heute umfangreiche Simulationen und Visualisierungen von komplexen Phänomenen.  Moderne wissenschaftliche Experimente zeichnen sich durch eine bisher nicht bekannte Fülle an Daten aus, sodass sich nach Empirie, Theorie und Simulation viele Disziplinen der Wissenschaft an einem Übergang zu einer data-driven Wissenschaft (eScience) befinden.

Vor diesem Hintergrund lassen sich digitale „Analytical Sciences“ verstehen als alle Aspekte der Analytik, die durch die digitale Transformation der Wissenschaften verändert werden: Forschungsdatenmanagement unter Verwendung von Ontologie von Proben, IoT (Internet of Things) im Labor zusammen mit fortgeschrittener Automation und Robotik, Einsatz von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen zur Verknüpfung von  Daten einer sensorierten Welt, mikrofluidische Systeme aus der additiven Fertigung kombiniert mit chemischen Erkennungssystemen aus einer rationalen, simulationsgetriebenen Synthesechemie sind nur einige Aspekte der Vielfalt der digitalen „Analytical Sciences“.

Im Kontext der zukünftigen großen Herausforderungen wird eine digitale Analytik zur Analyse und Auswertung großer experimenteller und empirischer Datenmengen zur Voraussetzung, um komplexe Zusammenhänge und Wechsel-wirkungen auf Systemebene zu erkennen. Die dazu notwendige global verteilte, kollaborative und interdisziplinäre Kooperation verändert auch zwangsläufig die individuellen Arbeitsweisen in der Wissenschaft, d. h., trotz der typischen Verhaftung an einer fachlichen Domäne werden die Analytikerinnen und Analytiker der Zukunft zugleich „data scientists“ sein müssen.