3D verleiht der Fusion Energie

Die EPFL wurde von EUROfusion ausgewählt, um ein Visualisierungstool für die Simulation von Vorläuferprozessen der Fusion zu liefern. Es schlägt eine Brücke zwischen Datentabellen und einer Echtzeitvisualisierung, die aus der Welt der Videospiele übernommen wurde.

Die Kernfusion ist der Traum von reichlich vorhandener, konstanter, umweltfreundlicher und sicherer Energie. Die Energie wird durch die Verschmelzung zweier leichter Atomkerne zu einem schwereren erzeugt, der mehr Energie erzeugt, als er verbraucht. Um diese Reaktion zu beherbergen, muss man sich eine riesige, kreisförmige, mit Magneten bestückte Boje vorstellen, in der die von einem Magnetfeld angetriebenen Teilchen einander jagen und sich wie ein Bienenschwarm sammeln. All das kann man sich jetzt in einer verblüffend realistischen 3D-Simulation vorstellen.

Als Experte für 3D-Visualisierung hat das Labor für experimentelle Museologie EM+ der EPFL ein Werkzeug geschaffen, das die Terabytes an Daten aus den Experimenten und Simulationen des Swiss Plasma Center (SPC) der EPFL in ein immersives Erlebnis verwandeln kann. Für Laien ist es ein Feuerwerk von Teilchen, das eine Initiationsreise ermöglicht, um zu verstehen, wie die Energie von morgen aussehen könnte. Für Wissenschaftler ist es die Konkretisierung komplexer physikalischer Konzepte und ein Werkzeug, um die Ergebnisse ihrer Berechnungen zu verstehen.

Präzision bis zur Abnutzung

Wir befinden uns in der Welt des erstklassigen Gamings. Das 4 Meter hohe Panorama mit einem Durchmesser von 10 Metern bildet das Innere des Tokamaks mit variabler Konfiguration (TCV), einer weltweit einzigartigen experimentellen Infrastruktur, die seit über 30 Jahren von der EPFL beherbergt wird, mit einer halluzinierenden Detailgenauigkeit ab. Samy Mannane, Informatiker am EM+, erklärt: "Mit Hilfe eines Roboters haben wir das Innere des TCV mit sehr hoher Präzision gescannt, um ein 3D-Modell zu erhalten, das bis auf die Texturen des realen Objekts nachgebildet ist. So haben wir zum Beispiel die Abnutzung der Graphitkacheln erfasst, die das Innere auskleiden und durch die sehr hohen Temperaturen bei den Experimenten strapaziert werden."

Das SPC-Team stellte außerdem die physikalischen Gleichungen zur Verfügung, mit denen die Bewegung der Teilchen zu jedem Zeitpunkt berechnet werden kann. Das EM+ implementierte diese Daten dann in das Visualisierungssystem. Die größte Herausforderung bestand jedoch darin, dass alle Berechnungen in Echtzeit durchgeführt wurden. "Jedes Bild entsteht durch eine Berechnung für jedes der Tausenden von sich bewegenden Teilchen und das 60 Mal pro Sekunde für jedes Auge", fasst Samy Mannane zusammen. Dafür hat das Labor fünf Maschinen angeschafft, die jeweils mit zwei GPUs ausgestattet sind, die die fünf 4k-Projektoren des Panoramas antreiben. "Die technologischen Fortschritte in der Computergrafik ermöglichen es uns, dies heute zu tun. Vor fünf Jahren wäre das noch unmöglich gewesen", sagt Sarah Kenderdine, Professorin und Leiterin des EM+.

Das Ergebnis ist verblüffend realistisch. Man sieht den Injektor, der die Partikel in den Tokamak einbringt, die Graphitkacheln, die Temperaturen von über 100 Millionen Grad aushalten können. Der Maßstab ist erstaunlich: Die Anwesenheit einer fiktiven Person verdeutlicht die Größe des Tokamaks - etwa doppelt so groß wie ein Mensch. Aber wenn die Teilchen in ihrem magnetischen Käfig herumwirbeln, fühlt man sich ganz klein. Sie jagen sich, fliegen in Schwärmen, schrauben sich herum. In Rot die Elektronen, in Grün die Protonen, in Blau das Magnetfeld. Man kann mit allen Parametern spielen, auswählen, was man sieht, aus welchem Winkel, die Darstellung ist makellos.

"In der Astrophysik ist die Visualisierung ziemlich weit fortgeschritten, vor allem dank der Planetarien", bemerkt Paolo Ricci, Direktor des SPC der EPFL. Aber in der Fusion haben wir gerade erst mit dieser Art von Aktivitäten begonnen, und das dank der Zusammenarbeit mit EM+." Aufgrund der herausragenden Leistungen des SPC trägt die EPFL zum internationalen ITER-Projekt bei und ist einer der Schlüsselpartner von EUROFusion, dem europäischen Konsortium für die Entwicklung der Fusionsenergie. In diesem Zusammenhang wurde die Schule als Standort für einen der fünf Advanced Computing Hubs ausgewählt, der den Forschern und Forscherinnen des europäischen Programms dieses einzigartige Visualisierungstool zur Verfügung stellt.

Eine Brücke zwischen den Künsten

Für Sarah Kenderdine bestand die Herausforderung darin, "die greifbare Natur aus einer solchen Datenmenge zu extrahieren, um ein exaktes, kohärentes, reales Ergebnis zu erhalten - auch wenn es virtuell ist. Es ist nicht nur spektakulär, besonders schön, sondern die Gemeinschaft hat auch ein brauchbares Werkzeug, das den Bereich der Möglichkeiten öffnet."

"Die Physik hinter dieser Visualisierung ist sehr kompliziert", erklärt Paolo Ricci. Es gibt Teilchen mit unterschiedlichem Verhalten, Magnetfelder, Wellen, um das Plasma zu erhitzen, Injektion von Teilchen von außen, Gase ... es ist sehr schwierig, sie zu entwirren, selbst für einen Wissenschaftler. Diese Visualisierung ist eine Brücke zwischen den Standardergebnissen von Simulationscodes, die im Grunde nur Zahlentabellen liefern, und den von Sarah Kenderdine verwendeten Echtzeit-Visualisierungstools, die an die Welt der Videospiele erinnern."

Neben dem SPC und EM+ sind drei weitere Einrichtungen der EPFL am Advanced Computing Hub beteiligt: das Swiss Data Science Center, das Institut für Mathematik und SCITAS (Informatique Scientifique et Support Application).

Seit dem 1. Juni 2024 hat Paolo Ricci die Nachfolge von Ambrogio Fasoli als Direktor des Swiss Plasma Center (SPC) angetreten. Paolo Ricci, der mehrere Preise für seine hervorragende Lehre erhalten hat, ist auch Professor für Physik an der EPFL und hat den Lehrstuhl für Theorie am SPC inne. Mit einer achtzehnjährigen Karriere an dieser Institution leitet er nun eines der renommiertesten Forschungslabors für Plasmaphysik in Europa.