Kompetenzzentrum für Mathematik und Naturwissenschaften

Das KMN der OST ist ein interdisziplinäres Kompetenzzentrum, welches Expertinnen und Experten aus der Mathematik, Chemie und Physik vereint. Mit einer breiten Palette von mathematisch-naturwissenschaftlichen Kompetenzen unterstützen wir Industriepartner im Rahmen von Forschungs- und Dienstleistungsprojekten in ganz unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Unsere Projekte umfassen Schneephysik, CO₂-Einlagerung, Geruchsausbreitung sowie Optimierung von Verfahren und Sensoren in der Gesundheit und Industrie. 

Zu den Kernkompetenzen des KMN zählt auch die Vermittlung mathematisch-naturwissenschaftlicher Grundlagen im Rahmen von Aus- und Weiterbildungsangeboten. Der Fokus liegt dabei auf einem zielgruppengerechten Unterricht, der theoretische Inhalte anhand praxisnaher Beispiele anwendungsorientiert vermittelt. 

Das Kompetenzzentrum für Mathematik und Naturwissenschaften (KMN) verfolgt das Ziel, mathematisch-naturwissenschaftliches Wissen in praxistaugliche Lösungen zu überführen. Mit unseren interdisziplinären Kompetenzen 

• transferieren wir aktuelle Forschungsergebnisse, insbesondere im Bereich der Künstlichen Intelligenz, in industriegerechte Anwendungen;
• steuern und optimieren wir komplexe Prozesse dank mathematischer Modellierung und naturwissenschaftlicher Analysen;
• entwickeln wir belastbare Lösungsansätze für komplexe Herausforderungen– beispielsweise bei Geruchsbildungen.

Durch die Vereinigung von Mathematik, Physik und Chemie in unserem Kompetenzzentrum ist das KMN in der Lage, naturwissenschaftliche Prozesse optimal zu steuern und naturwissenschaftliche Resultate optimal auszuwerten. Durch folgende Methoden verankern wir die Interdisziplinarität in unserer Arbeit: 

• Fachgruppen-übergreifende Projekte: Im KMN arbeiten Expertinnen und Experten aus Mathematik, Physik und Chemie bei der Problemlösung direkt zusammen. Ein Beispiel dafür ist die Olfaktometrie (Geruchsmessung). Hier trifft chemische Analytik auf physikalische Messtechnik und mathematisch-statistische Auswertung der Daten.
• Methodentransfer: Mathematische Modelle und Algorithmen werden von uns als «Werkzeugkasten» für physikalische Simulationen oder chemische Prozessoptimierungen genutzt. So fliessen statistische oder und numerische Methoden direkt in die Laborarbeit der Naturwissenschaften ein. Bei Fragestellungen von Industriepartnern können mathematische Modelle und Algorithmen direkt für physikalische Simulationen oder chemische Prozessoptimierungen genutzt werden.
• Ganzheitliche Ausbildung: In der Lehre vermitteln wir den Studierenden die Naturwissenschaften nicht isoliert, sondern als vernetztes Fundament für die Ingenieurwissenschaften. Dozierende aus verschiedenen Disziplinen koordinieren ihre Inhalte, um die gegenseitigen Abhängigkeiten aufzuzeigen.

Das KMN wird von Prof. Oliver Augenstein geleitet und ist in folgende Fachbereiche aufgeteilt:

• Angewandte Chemie: Diese Fachgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Jean-Marc Stoll entwickelt Verfahren zur Reinigung von belastetem Wasser und belasteter Luft und beurteilt Gerüche anhand von Geruchsmessungen und Ausbreitungsrechnungen.
• Geometrie: Diese Fachgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Bernhard Zgraggen befasst sich mit dem Einsatz geometrischer Methoden, beispielsweise zur Optimierung der Kunststofffertigung oder der Entwicklung von Design-Werkzeugen für 3D-Puzzle.
• Modelle und Algorithmen: Diese Fachgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Kämpfer befasst sich vornehmlich mit der Modellierung von Phasenübergängen, Strömungen in porösen Medien und Risikobewertungen. In diesem Bereich werden aber auch Modelle und Algorithmen für spezifische industrielle Anwendungsfälle[LG1] [OA2]  wie elektronische Nasen, optimale Einsatzpläne für Servicemitarbeiter oder Energiespeicher entwickelt.
• Statistische Datenanalyse und Künstliche Intelligenz: Diese Fachgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Lin Himmelmann unterstützt Industriepartner bei der statistischen Auswertung von Daten, der Entwicklung von statistischen Modellen & Methoden und dem Einsatz von Künstlicher Intelligenz.
• Technische Physik: Diese[LG3] [OA4]  Fachgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Gregor Dudle befasst sich mit der Entkeimung von Wasser und Lüftungsanlagen mittels UV-Licht, der Entwicklung intelligenter kameragestützter Temperatursteuerungen von Industrieanlagen oder Fragen zur Digitalisierung der Metrologie.

Möchten Sie unsere Expertise nutzen? Dann kontaktieren Sie uns gerne unter oliver.augenstein@ost.ch 

Das KMN ist am Standort Rapperswil beheimatet, führt aber Projekte innerhalb der ganzen Schweiz durch und unterrichtet standortübergreifend an allen Standorten der OST in Rapperswil, St.Gallen und Buchs. 

Für allgemeine Anfragen und für Fragestellungen rund um die Lehre kontaktieren Sie bitte Prof. Oliver Augenstein unter oliver.augenstein@ost.ch. 

Bei Fragen zu spezifischen Themen bitten wir Sie, direkt mit der verantwortlichen Fachgruppenleitung Kontakt aufzunehmen. Dies sind Ihre Ansprechpartner: 

• Prof. Dr. Gregor Dudle für den Bereich technische Physik unter gregor.dudle@ost.ch
• Prof. Dr. Lin Himmelmann für Fragen im Bereich künstliche Intelligenz und Statistik unter lin.himmelmann@ost.ch
• Prof. Dr. Thomas Kämpfer für Fragen im Bereich Phasenübergänge, Geologie und Sicherheit und sowie zu Modellen und Algorithmen unter thomas.kaempfer@ost.ch
• Prof. Dr. Jean-Marc Stoll für Fragen rund um das Thema Gerüche, Abluftreinigung, Abwasserreinigung und chemische Verfahren unter jeanmarc.stoll@ost.ch
• Prof. Dr. Bernhard Zgraggen für Fragestellungen im Bereich Geometrie unter bernhard.zgraggen@ost.ch

Das KMN bietet Expertise in folgenden Bereichen:

• Mathematik & Modellierung: Modellierung und Optimierung von Prozessen, Produkten und komplexen Systemen, stochastische Modellierung und Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen.
• Data Science & Statistik: Statistische Datenanalyse, stochastische Modellierung, intelligente selbstlernende Algorithmen, maschinelles Lernen, Data Science und der Umgang mit Ungewissheiten bei Entwicklungen und Entscheidungen.
• Metrologie: Zeit- und Frequenzmetrologie, Messunsicherheiten, Ontologien
• Künstliche Intelligenz: Datenanalyse und -aufbereitung mit Künstlicher Intelligenz und Anwendungen in generativer Künstlicher Intelligenz.
• Naturwissenschaften & Analytik: Angewandte Chemie, speziell in den Bereichen Abwasser, Wasser und Abluft. Modellierung von Phasenübergängen und Strömungen in porösen Medien. Schneephysik. Sicherheitsanalysen geologischer Tiefenlager. Einsatz von UVC zur Reinigung von Wasser und Luft, sowie zur Elimination von unerwünschten Gerüchen.
• Gerüche: Geruchsmessungen, Beurteilen von Gerüchen, Geruchsreduktion, Ausbreitungssimulation von Geruchsimmissionen
• Informatik & Algorithmen: Entwicklung numerischer Methoden und Algorithmen. Phasenfeld-Methoden. Parallelisierung und GPU Computing. 

Das KMN ist in allen Bereichen fachübergreifend organisiert und verbindet Fragestellungen aus verschiedenen Gebieten zu interdisziplinären Lösungen für ingenieurtechnische und gesellschaftliche Fragestellungen. Sie dürfen uns gerne auch mit Problemen oder Fragestellungen kontaktieren, die mehrere unserer Fachbereiche betreffen. 

Die Forschungsschwerpunkte des KMN konzentrieren sich auf den Transfer theoretischer Modelle in praktische und industrielle Anwendungen. 

In der angewandten Chemie liegt unser Fokus unserer Forschung in der Umwelt & Ressourcen. Das KMN spezialisiert sich in diesem Bereich vor allem auf die Erkennung und Beseitigung von Gerüchen und der Beseitigung von Schadstoffen aus Luft, Abluft, Abwasser und Böden. Zu den Kernaktivitäten gehören:

• Geruchsmessung & -reduktion: Einsatz von Olfaktometrie und chemischer Analytik zur Bewertung von Emissionen sowie die Entwicklung "elektronischer Nasen" zur automatischen Geruchserfassung.
• Elektrochemische Verfahren: Untersuchung zur Rückgewinnung von Ressourcen (z. B. Phosphor aus Klärschlamm) und zur Elimination von Mikroverunreinigungen.
• Nachhaltiges Recycling: Projekte zum geruchsneutralen Recycling von Kunststoffen (Polyolefine).
• Carbon Capture and Storage (CCS): Projekte zur Speicherung und Einlagerung von CO₂. 

Im Bereich der statistischen Datenanalyse und Stochastik liegt unser Schwerpunkt auf Extraktion von Wissen aus komplexen Datensätzen: 

• Stochastische Modellierung: Simulation komplexer Zusammenhänge und Erstellung abgesicherter Prognosen.
• Data Science & Künstliche Intelligenz: Anwendung moderner Methoden nach aktuellem Forschungsstand im Bereich statistische Datenanalyse, stochastische Modellierung, intelligente selbstlernende Algorithmen, maschinelles Lernen und Generative AI in den verschiedensten Anwendungen.
• Versuchsplanung: Unterstützung bei der Ermittlung relevanter Einflussfaktoren und Parameter in industriellen Prozessen.

Im Bereich der technischen Physik und Modellierung fokussieren wir uns auf die Nutzung physikalischer Prinzipien für technische Innovationen: 

• Modelle & Algorithmen: Mathematische Modellierung von komplexen Systemen (beispielsweise Phasenübergänge oder Strömungen in porösen Medien) und Optimierung von Produkten.
• Schneephysik: Modellierung von Schneeumwandlungsprozessen, Gleiten und Haften auf Schnee und Eis, Schnee-Atmosphären-Interaktionen.
• Risikoanalysen, Umgang mit Ungewissheiten und Sicherheitsnachweise: Geologische Tiefenlagerung radioaktiver Abfälle.
• Sensorik & Messtechnik: Entwicklung hochpräziser Messverfahren für optische, thermische und elektrische Parameter.

In interdisziplinären Projekten der OST kombiniert das KMN seine chemische, mathematische oder physikalische Expertise mit dem spezifischen Fachwissen unterschiedlicher Disziplinen. Zum Beispiel für die Optimierung von Phasenwechselmaterialien (Phase-Change Materials, PCM) für Energiespeicher mit dem SPF oder für die Analyse von Schneemikrostruktur und -prozessen mit dem ICAI. Das KMN unterstützt auch in interdisziplinären Unterrichtsmodulen, z.B. mit einem Beitrag zu Gleiten auf Schnee und Eis im IKTS Modul „Skination Schweiz“ unter der Leitung des IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung der OST.

Das KMN ist eines der führenden Kompetenzzentren bei Fragen rund um das Thema Gerüche. Unsere Expertinnen und Experten beraten das Bundesamt für Umwelt (BAFU), kantonale Ämter, Agroscope (Kompetenzzentrum des Bundes für landwirtschaftliche Forschung), sowie Firmen aus den verschiedensten Bereichen wie Landwirtschaft, Nahrungsmittelproduktion, Asphalt- und Zementproduktion. Wir führen Geruchsmessungen, Beurteilungen von Gerüchen, Geruchsreduktionen und Ausbreitungssimulationen von Geruchsimmissionen durch. 

«Odor Vision» ist die einzige regelmässig stattfindende Tagung zum Thema Geruch in der Schweiz. Sie findet in Rapperswil statt und wird durch das KMN organisiert und durchgeführt. Die teilnehmenden Organisationen stammen aus Umweltbehörden, der Industrie, Beratungsbüros und dem Hochschulwesen. Einblicke in die «Odor Vision 2025» erhalten Sie unter https://www.ost.ch/de/event/odor-vision-2025

Die Digitalisierung von Gerüchen funktioniert, indem Luftinhaltsstoffe mit der Oberfläche von Sensoren interagieren und dabei physikalische Grössen wie die elektrische Leitfähigkeit oder die Schwingfrequenz beeinflussen. Die Geschwindigkeit und das Ausmass dieser Einflüsse können dann mit mathematischen Formeln abgebildet und somit digitalisiert werden. Es handelt sich somit um ein Zusammenspiel von chemischen, physikalischen und mathematischen Aspekten, die am KMN in idealer Weise vertreten sind. 

Das KMN nutzt sein Wissen in Werkstofftechnik und numerischer Mathematik, um in der Schneeforschung und Schneephysik tätig zu sein. Folgende Beiträge leisten wir:

• Modellierung von Schneeumwandlungsprozessen (Schneemetamorphose)
• Optimierung von Gleiten und Haften auf Schnee und Eis
• Verstehen von Schnee-Atmosphären-Interaktionen
• Bestimmung von optischen Eigenschaften von Schnee

Wir verfügen über ein chemisches Labor für Versuchsaufbauten und einfache chemische Analytik, über ein Geruchslabor zur Messung von Gerüchen (Olfaktometrie), sowie über Versuchsanlagen zur Reinigung von Abluft mit UVC, chemischer Wäsche und Aktivkohle. Zusätzlich haben wir in Physik Labore sowie ein umfangreiches Instrumentarium für physikalische Versuche zur Verfügung. Einen Schwerpunkt bilden dabei optische Messungen, insbesondere im UV-C Bereich.

Eine KMN-interne Werkstatt für elektronische und mechanische Arbeiten ermöglicht es, schnell und unkompliziert Prototypen für Testaufbauten zu realisieren. Für Lehrveranstaltungen und Präsentationen verfügen wir über eine grosse Sammlung von Demonstrationsmaterialien, sowohl im Bereich Physik wie auch Chemie.

Alle Branchen, die mit technischen Fragestellungen bei Produkteentwicklung, Prozessoptimierung oder Modellierung konfrontiert sind, profitieren von einer Zusammenarbeit mit dem KMN. Besonders interessant ist eine Zusammenarbeit für Partner aus Industrie und Gewerbe, da wir neben unserem Fachwissen auch über viel Erfahrung mit Anträgen bei Förderagenturen verfügen. Dank einer Zusammenarbeit mit dem KMN können so Entwicklungszeiten gesenkt und -kosten gesenkt werden.

In der Regel entwickelt das KMN mit seinen Kunden Speziallösungen, die genau auf ihre individuellen Bedürfnisse zugeschnittene sind. Darüber hinaus bieten das KMN in folgenden Bereichen zusätzlich Dienstleistungen an:

• Messungen zur Identifikation und Lokalisierung von Gerüchen, sowie Geruchsausbreitungsberechnungen
• Verfahren zur Reduktion von Umweltbelastungen in Abwasser und Abluft, Grundwasserströmung und -transport
• Statistisch belastbare Analysen von Datensätzen aus unterschiedlichen Bereichen und statistisch fundierte Entscheidungsfindung
• Geologische Tiefenlager: Sicherheitstechnische Beurteilungen und Langzeitsicherheitsnachweis, Ontologien, Requirements and Configuration Management
• Mathematik- und Physikkurse zur Repetition der technischen Berufsmatur und zur Vorbereitung auf das Studium.
• Spezialkurse für Einsteiger in die künstliche Intelligenz
• Verschiedenste Angebote im MINT Bereich wie z.B. die Beteiligung am Ferienpass und an den TEC-Days oder Schnupperlehren und Infoanlässe für Gewerbeschüler im Bereich Physik und Chemie

Nach einem ersten Kontaktgespräch erarbeiten wir zusammen und zielgerichtet das optimale Vorgehen für das entsprechende Forschungs- und Entwicklungsprojekt, beispielsweise durch das Ausarbeiten eines Gesuches zur Projektförderung bei Innosuisse. 

Kontaktieren Sie uns gerne für ein unverbindliches Erstgespräch unter oliver.augenstein@ost.ch  

Ja, eine der Stärken des KMN ist die Modellierung komplexer physikalischer Phänomene. Durch unsere Interdisziplinarität kombiniert mit fundiertem mathematisch-physikalischem Fachwissen sind wir der ideale Ansprechpartner, um Probleme aus der Praxis mathematisch zu beschreiben und das Resultat zur Beantwortung konkreter Fragen zu nutzen. 

Wenn Sie Unterstützung bei der Modellierung komplexer physikalischer Phänomene benötigen, kontaktieren Sie uns gerne unter gregor.dudle@ost.ch 

Ja, das KMN engagiert sich stark in der Ausbildung der Studierenden der OST. Unsere Expertinnen und Experten halten an der OST am Standort Rapperswil die Vorlesungen, Übungen und Praktika aller Studiengänge in den Fächern Mathematik, Physik und Chemie. Ausserdem betreuen wir jährlich 6 bis 10 Studierende im Rahmen von Studierendenarbeiten im Bachelor- und Masterstudium. Darüber hinaus engagiert sich das KMN in verschiedenen Weiterbildungsangeboten wie beispielsweise:

• Mathematische Grundlagen für den CAS Machine Learning for Software Engineers
• ab 2027 «Fit for AI» - mathematischer Vorbereitungskurs für den MAS in AI Engineering
• mathematische Grundlagen im CAS Computational Fluid Dynamics

Unter der MINT-Förderung versteht man die Förderung der Bereiche Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik.

Wir fördern die MINT-Fächer, indem Kinder und Jugendliche in spielerischer Weise spannende Experimente in unserem Chemielabor durchführen können. Wir führen regelmässig MINT-Aktionstage für Schulklassen der Mittelstufe (4. bis 6. Primarklasse) durch, beteiligen uns am Zukunftstag der Primar- und Sekundarschulen, bieten Schnupperstellen sowie Lehrstellen für Chemielaborantinnen und Chemielaboranten an und unterstützen Maturandinnen und Maturanden im Rahmen ihrer Maturaarbeit.