Alexandra Schaefer
Auf Fehlersuche im trüben Wasser – Alexandra Schaefer auf dem Weg zur Promotion
Alle Bilder: Dajana Dopatka / TH OWL
Wenn Alexandra Schaefer an einem ihrer beiden ganz unterschiedlichen Schreibtische sitzt und aus dem Fenster schaut, sieht sie vor allem Wasser. Wasser in Becken, in Schächten, in Kanälen, in riesigen Schrauben, in Pumpen und Filtern. Wasser, das ruht, das transportiert wird, das durch Rechen und Siebe geleitet wird, das blubbert und gärt, dem Sauerstoff oder Bakterien zugefügt und entzogen werden. Wasser, das geklärt wird. Sie sieht, wie es als Abwasser ankommt und am Ende gereinigt in die Lippe zurückfließen kann. Ganz schön viel Wasser also wohin das Auge blickt.
Wir treffen Alexandra zum Interview an einem ihrer zwei Arbeitsorte: an der Kläranlage des Stadtentwässerungsbetriebs Paderborn (STEB). Wir möchten uns mit ihr zu ihrem Promotionsthema und ihrer Arbeit als Forscherin austauschen. Doch erstmal geht’s um Alexandras Promotionsstelle bei zwei Arbeitgebern, dahinter steckt ein außergewöhnliches Modell:
Forschen im Tandem: eine Promotion – zwei Partner
Alexandra ist nämlich nicht nur auf der Kläranlage im Einsatz, sondern hat noch einen anderen Schreibtisch und der steht in der TH OWL am Standort Höxter. Dort promoviert sie am Fachbereich Umweltingenieurwesen und Angewandte Informatik und wird dabei von Professor Martin Oldenburg betreut. Ihre dreijährige Promotion realisiert sie im Rahmen einer Tandemstelle und nutzt damit ein Angebot von PROFuture: Das Projekt ermöglicht durch eine Praxis-Promotion die Qualifizierung zur Berufungsfähigkeit an Hochschulen für angewandte Wissenschaften. Die Nachwuchswissenschaftler:innen haben später also die Wahl sich für einen Karriereweg in der freien Wirtschaft oder in der Wissenschaft zu entscheiden. Bei Alexandra ist der Praxispartner für diesen dualen Qualifikationsweg der STEB, mit dem die TH OWL schon viele gemeinsame Projekte realisiert hat, unter anderem DIGIWATER. Zu den weiteren spannenden Möglichkeiten, die PROFuture Nachwuchswissenschaftler:innen und zukünftigen Professor:innen anbietet.
„Ich hab richtig Glück mit meiner Stelle, denn ich kann in beiden Welten arbeiten: Praxis beim STEB und Forschung an der TH OWL“, erzählt Alexandra Schaefer. Sie hat ihren Master im Studiengang Umweltingenieurwesen und Modellierung gemacht und dann angefangen, Data Science zu studieren. „Der ganze Umgang mit Daten, mit unterschiedlichsten und vielen Daten, hat mich einfach so sehr interessiert, damals schon. Das wollte ich mir im Studium nochmal genauer anschauen. Aber dann – Plot-Twist – durfte ich mit dem Projekt CCWater zu einer Partnerhochschule nach China und dort auch ein dreimonatiges Praktikum machen. In dieser Zeit habe ich gemerkt: In den Bereichen Sensorik und Softsensorik (zur Erklärung), da geht noch was. Da steckt richtig Forschungspotenzial drin, vor allem bei der Fehlererkennung“, sagt Alexandra und sie sagt noch: „Und genau das mach ich jetzt, wie toll ist das denn!?“
Fehler finden, Ersatzwerte berechnen, Aufwände reduzieren
Alexandra beschäftigt sich mit der Optimierung der Messtechnik im STEB. Die wird eingesetzt, um die Klärphasen zu überwachen und misst mit verschiedenen Sensoren unter anderem den Sauerstoffgehalt, die Temperatur, den pH-Wert oder auch die Trübung des Wassers. So lässt sich sicherstellen, dass die Abwasserreinigung effizient funktioniert und die gesetzlichen Grenzwerte eingehalten werden. Es kommt aber häufig vor, dass Sensoren etwa durch Drifteffekte (zur Erklärung) nicht mehr richtig messen. Oft ist es schwierig, Drifts von außen zu erkennen, sodass sie längere Zeit unbemerkt bleiben. Alexandra möchte nun ein Verfahren erarbeiten, wie fehlerhafte Messwerte in Kläranlagen identifiziert und realistische Ersatzwerte ermittelt werden können. Dafür entwickelt sie ein hybrides Modell, das mathematische Formeln mit Methoden des maschinellen Lernens kombiniert. Diese Daten werden dann in der Leitstelle des STEB ausgespielt und können irgendwann zu der Entwicklung eines Digitalen Zwillings (zur Erklärung) beitragen, mit dem Zukunftsentscheidungen unterstützend modelliert werden könnten.
Am Ende ihrer Promotion möchte Alexandra dem STEB eine konkrete Anwendung zur Verfügung stellen, die die hohen Maintenance-Aufgaben der Kläranlage deutlich entlastet. Wenn schneller bekannt ist, welche Sensoren falsch messen, können sie zielgerichtet gewartet und gereinigt werden. Das entlastet die Mitarbeitenden und spart Energie-, Material- und Wartungskosten. Zusätzlich liefert die saubere Datenbasis wichtige Informationen für digitale Zwillinge, Simulationen und KI-gestützte Optimierungen.
„Austausch und Struktur sind mir sehr wichtig“
Von ihrer persönlichen Motivation, wie ihr Arbeitstag aussieht und wie sie schwierige Phasen überwindet, davon erzählt Alexandra im Gespräch:
Was interessiert dich persönlich am meisten an deinem Thema?
Dass ich mich in ein komplexes Thema so richtig schön reinarbeiten kann und ich so viel Neues lerne. Auch neue Skills! Ich hab mir Programmieren beigebracht, das brauche ich für maschinelles Lernen. Zusätzlich bekomme ich bald auch eine tiefergehende Schulung in Python (zur Erklärung). Ich bin ja keine Softwaretechnikerin oder Programmiererin, aber dieses Thema hybride Modelle oder Modellerschaffung ist, was mich super interessiert. Wenn ich das, was ich sehe, auch auf einem Computer darstellen kann, ist das einfach immer spannend.
Wichtige Zwischenfrage an dieser Stelle: Spielst du eigentlich gerne Minecraft?
Nein, eigentlich überhaupt nicht! Ich bin eher bei Adventure Games dabei.
Was machst du als erstes, wenn du morgens zur Arbeit kommst?
Kaffee holen, E-Mails checken, den Tag strukturieren. Ich finde es auch immer wichtig, noch mal ganz kurz über die News zu schauen. Also was in der Stadt Paderborn vor sich geht, aber auch bei der TH OWL. Und ich tausche mich immer gern mit den Kolleg:innen aus, was es Neues gibt.
Woran arbeitest du eher beim STEB, woran an der Hochschule?
Also grundsätzlich ist meine Stelle schon ziemlich ganzheitlich angelegt: Ich kann an beiden Arbeitsorten an meiner Promotion arbeiten. Beim STEB schaue ich mit auf das Prozessleitsystem und fertige Berichte an. Ich gebe hier auch Führungen und betreue den Insta-Account. Bitte alle folgen! An der Hochschule in Höxter habe ich hingegen Zugriff auf das Hochschulnetzwerk, das ist natürlich wichtig für meine Arbeit. Und ich darf lehren, das macht mir wirklich viel Spaß. Für beide Standorte aber gilt: Ich werde unglaublich gut betreut, habe feste Ansprechpartner:innen, bekomme viel Unterstützung und darf meine Forschung in Ruhe und mit vielen Freiheiten voranbringen.
Was sind große Meilensteine in deiner Promotion?
Jetzt gerade will ich rausfinden, welche Fehlermeldungen es auf der Kläranlage überhaupt gibt. Mir da also ein umfassendes Bild verschaffen. Dazu muss ich alle Daten betrachten, sie auswerten und clustern. Welche Fehler kommen bei welchen Sensoren vor? Ich schaue also viel ins Archiv und werde vom STEB-Team hier super unterstützt, wenn ich bestimmte Daten brauche.
Ein weiterer Meilenstein ist, eine valide Fehlererkennung für einen einzelnen Sensor zu entwickeln. Dass das hybride Modell also für diesen Sensor funktioniert. Danach kann ich dann schauen, ob es sich auf andere Sensoren übertragen lässt und an dem Punkt dann weiterarbeiten.
Wenn du mal struggelst oder Selbstzweifel hast: Wie kommst du aus einer schweren Phase wieder raus?
Also, was mir ganz viel hilft, ist wieder zurück in meine Struktur zu finden. Und mal kurz den Stecker zu ziehen, mir also am Wochenende wirklich mal einen Tag nur für mich zu nehmen. Gut ist auch immer, mit anderen über die Sackgasse zu sprechen. Eine weitere Promovierende, Katharina, ist da immer eine sehr tolle Gesprächspartnerin, da hat sich eine richtige Freundschaft zwischen uns entwickelt. Damit schafft man es durch jede schwere Phase.
Wie geht’s nach der Promotion für dich weiter? Kannst du dir auch vorstellen, in der Wissenschaft zu bleiben, vielleicht sogar selbst Professorin zu werden?
Im Moment lasse ich alles offen und möchte mich noch nicht festlegen, ob es wirklich mal in die Richtung geht. So eine Promotion ist schon anstrengend genug, da ist noch viel ungewiss. Vorstellen kann ich es mir schon, denn Lehre macht mir echt Spaß.
Was würdest du Studierenden raten, die unsicher sind, ob eine Promotion das Richtige ist?
Wenn man Interesse an der Forschung hat und sich die Gelegenheit bietet, dann sollte man sie nutzen und promovieren. Und was ich auch glaube: Wenn man sich für spezielle, kleine Bereich, also bei mir ja Messtechnik, begeistern kann, ist eine Promotion auch eine gute Idee. Man muss auf jeden Fall Lust haben, sich in neue Themen reinzuarbeiten und sich auch mal fachfremde Skills draufzuschaffen.
Für Interessierte:
Wer sich die Kläranlage des STEB gern mal anschauen möchte, kann eine Führung anfragen. Mit etwas Glück zeigt Alexandra dann persönlich, was alles nötig ist, damit Abwasser wieder in den Wasserkreislauf eintreten kann und führt mit viel Begeisterung und noch mehr Wissen über die Anlage.
Und wer jetzt verständlicherweise Lust bekommen hat, selbst zu promovieren, findet beim Graduiertenzentrum.OWL alle wichtigen Infos und Beratungsangebote. Es begleitet Promovierende der TH OWL mit Workshops, Stipendien, Vorträgen und vielen Möglichkeiten zur Vernetzung in der Forschung.
Liebe Alexandra, danke für die interessanten Einblicke in deine Forschungsarbeit. Viel Erfolg bei der Promotion!
Lexikon
wird das genaue virtuelle Abbild einer realen Anlage oder eines Prozesses genannt. Er zeigt in Echtzeit, wie die Anlage funktioniert, und kann Vorhersagen über ihr Verhalten machen. So lassen sich Probleme erkennen, Abläufe optimieren und Entscheidungen besser planen, ohne direkt an der echten Anlage zu experimentieren.
beschreiben das langsame, unbemerkte Verändern eines Messwerts, obwohl sich die tatsächliche Größe gar nicht geändert hat. Ursache kann zum Beispiel Alterung, Verschmutzung oder eine Veränderung in der Elektronik des Sensors sein. Dadurch werden Messungen mit der Zeit ungenauer, ohne dass man es sofort bemerkt.
ist eine Programmiersprache, mit der man Computeranwendungen, Webseiten oder Datenanalysen erstellen kann. Sie ist einfach zu lernen und gut lesbar, deshalb wird sie oft für Einsteiger und in der Forschung genutzt. Mit Python lassen sich Aufgaben automatisieren, Daten auswerten und sogar künstliche Intelligenz entwickeln.
bezeichnet Messverfahren, bei denen Werte nicht direkt mit einem Sensor erfasst, sondern aus anderen Messdaten rechnerisch bestimmt werden. Dabei nutzt man Modelle oder Algorithmen, um schwer messbare Größen zu schätzen. So können zusätzliche Informationen gewonnen werden, ohne neue Messgeräte einsetzen zu müssen.
PROFuture@TH-OWL ist Teil der BMFTR-Förderline „FH Personal“ und wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und der Gemeinsamen Wissenschaftskonferenz (GWK) unterstützt.
