Die Faszination von Künstlicher Intelligenz bei Numerischen Simulationen: Chancen, Risiken und Zukunftsperspektiven

Numerische Simulationen bilden das Rückgrat moderner Ingenieurwissenschaften und Forschung. Sie ermöglichen die Modellierung und Analyse komplexer Systeme, seien es Strömungsmechaniken, Strukturanalysen oder thermodynamische Prozesse. Traditionell beruhen diese Methoden auf mathematischen Grundlagen, die aufgrund von bewiesenen Konvergenzeigenschaften verlässlich sind und es ermöglichen, exakte Grenzen und Verhalten vorherzusagen. Doch mit dem rapiden Fortschritt der Künstlichen Intelligenz (KI) bahnt sich eine Revolution in der numerischen Simulation an, die enorme Geschwindigkeitsvorteile verspricht. Trotz beeindruckender Leistungsschübe sind viele der neuen KI-basierten Methoden jedoch mit erheblichen Unsicherheiten und Herausforderungen verbunden, die nicht unerwähnt bleiben dürfen.

Die Grundlagen der klassischen numerischen Simulation sind eng mit Konzepten aus der Analysis und numerischen Mathematik verbunden. Das Verständnis von Konvergenz stellt dabei eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Zuverlässigkeit von Simulationsergebnissen dar. Wenn sich das Ergebnis einer Berechnung bei Verfeinerung der Modellparameter stetig einer Lösung annähert, spricht man von Konvergenz. Ohne diese Garantie wäre das Vertrauen in die Simulationsergebnisse gering. Dies gilt insbesondere im Bereich der technischen Anwendungen, wo Maschinen, Brücken oder Flugzeuge auf der Grundlage dieser Berechnungen ausgelegt werden.

Eine mathematisch fundierte Absicherung sorgt dafür, dass Risiken minimiert und Sicherheit maximiert werden. Künstliche Intelligenz bietet der Simulation hingegen eine ganz neue Dimension. Durch sogenannte surrogate Modelle, die auf neuronalen Netzen und maschinellem Lernen basieren, lassen sich Berechnungen in einigen Fällen um mehrere Größenordnungen beschleunigen. Einige Berichte sprechen von Geschwindigkeitssteigerungen bis zu Tausenden Times im Vergleich zu traditionellen numerischen Verfahren. Dies bietet zweifellos immense Potenziale insbesondere in der Industrie, wo Zeit und Kosten eine entscheidende Rolle spielen.

Beispielsweise können Simulationszyklen drastisch verkürzt werden, was eine schnellere Produktentwicklung und effizientere Fertigungsprozesse ermöglicht. Doch trotz dieses optimistischen Bildes ist die Realität oft komplexer. Zahlreiche Studien und Expertenberichte zeigen, dass viele KI-basierte Simulationen keine mathematische Konvergenz garantieren können. Besonders Modelle wie Physics-Informed Neural Networks (PINNs) stehen in der Kritik, weil sie zwar Trainingsfehler minimieren, aber nicht zwangsweise sicherstellen, dass sich die Lösung tatsächlich der korrekten physikalischen Modellierung annähert. In der Praxis können diese Netzwerke in lokalen Minima stecken bleiben oder inkorrekte Lösungen liefern, wenn sie nicht richtig validiert werden.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus dem sogenannten „Survivorship Bias“. Oft werden nur erfolgreiche Läufe von Simulationen veröffentlicht, während nicht-konvergente oder fehlerhafte Ergebnisse verschwiegen werden. Dies führt zu einer verzerrten Wahrnehmung der Leistungsfähigkeit von KI-Simulationen und kann das Vertrauen in diese Technologien langfristig untergraben. Transparenz in der Berichterstattung ist daher unverzichtbar, um realistische Erwartungen zu schaffen und methodische Schwächen offen zu legen. Zudem wird häufig kritisiert, dass KI-Methoden innerhalb ihres eigenen Ökosystems verglichen werden, anstatt einen fairen Vergleich mit etablierten numerischen Lösern durchzuführen.

Dieser selektive Benchmarking-Ansatz überschätzt oft die Qualität und Akzeptanz der KI-Methoden, da sie lediglich gegen andere KI-basierte Verfahren getestet werden und nicht gegen hochentwickelte konventionelle Algorithmen, die seit Jahrzehnten entwickelt und optimiert worden sind. Ein besonders interessantes Fallbeispiel findet sich im Bereich der Computational Fluid Dynamics (CFD), wo maschinelles Lernen eingesetzt wird, um Simulationen zu beschleunigen. Studien haben Speedups von mehreren Faktoren versprochen und eine höhere Auflösung behauptet. Allerdings fehlen häufig umfassende Stabilitätsanalysen und Mesh-Verfeinerungsstudien. Ohne diese bleibt zweifelhaft, ob die KI-Modelle wirklich alle relevanten Skalen und physikalischen Phänomene abdecken oder lediglich innerhalb der Trainingsdaten interpolieren.

Die Folgen können gravierende Fehler bei der Simulation realer Szenarien sein, die sowohl Sicherheits- als auch Ökonomiefragen aufwerfen. Aus unternehmerischer Perspektive zeigt sich eine paradoxe Situation: Obwohl ein Großteil der Firmen Künstliche Intelligenz nutzt, gelingt es nur wenigen, die Projekte erfolgreich zu skalieren und nennenswerte Renditen zu erzielen. Verschiedene Studien von renommierten Beratungsunternehmen aus den USA belegen, dass gerade einmal circa ein Prozent der Unternehmen signifikante Wertschöpfung durch KI erreichen. Der Grund liegt neben den technischen Limitierungen auch in organisatorischen Herausforderungen, unklaren Key Performance Indicators (KPIs) und fehlender Governance. Diese „Produktivitätsparadox“ bremst die breite Akzeptanz trotz großer Investitionen.

Darüber hinaus gibt es anhand der zunehmenden Verbreitung von KI-Simulationen auch ethische und rechtliche Fragestellungen. Bias in Trainingsdaten, Datenschutzproblematiken und mangelnde Erklärbarkeit stellen starke Risiken dar, die Unternehmen finanziell und reputativ teuer zu stehen kommen können. Umso wichtiger wird es, dass neben der technischen Entwicklung auch Rahmenbedingungen für transparente Audits, Compliance und verantwortungsvolle Nutzung geschaffen werden. Aus der Sicht der Forschung und Entwicklung ist daher klar, dass eine rigorose Validierung von KI-Simulationen unabdingbar ist. Nur durch konsequente Mesh-Verfeinerungen, solide theoretische Beweise der Konvergenz und das Offenlegen von Fehlermustern kann Vertrauen in diese neuen Werkzeuge aufgebaut werden.

Die Fachgemeinschaft ist gefordert, durch unabhängige und faire Benchmarks einen realistischen Überblick über die Leistungsfähigkeit zu gewährleisten und somit einer unrealistischen Hype-Blase entgegenzuwirken. Die Zukunft der numerischen Simulation wird mit aller Wahrscheinlichkeit eine hybride Welt sein, in der klassische mathematisch fundierte Verfahren und AI-unterstützte Methoden nebeneinander existieren und sich ergänzen. Während KI enorme Potenziale für Effizienzsteigerungen bietet und in vielen Anwendungsfällen sinnvoll eingesetzt werden kann, wird das Festhalten an anerkannten mathematischen Prinzipien und Formaten der Fehlerkontrolle essentiell bleiben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verlockung durch Künstliche Intelligenz im Bereich numerischer Simulationen zwar groß ist, aber stets mit kritischem Blick begleitet werden muss. Nur wer die Grenzen kennt, offen kommuniziert und auf rigorose wissenschaftliche Standards setzt, wird in der Lage sein, den wahren Mehrwert dieser Technologien zu realisieren und nachhaltige Produkte und Prozesse zu gestalten.

Die Balance zwischen Innovation und Verlässlichkeit ist der Schlüssel, um die Zukunft der Simulationstechnologien verantwortungsvoll und erfolgreich zu gestalten.