Wenn es um vielversprechende Energieformen geht, erfüllt die Kernfusion alle Kriterien: Sie ist sauber, reichlich vorhanden, kontinuierlich und sicher. Sie entsteht, wenn die leichten Kerne zweier Atome miteinander verschmelzen und einen schwereren Kern bilden. Dabei werden große Mengen Energie freigesetzt.
Damit Fusionsreaktionen kontrolliert ablaufen können, braucht es riesige Reaktoren in Form riesiger Ringe, die mit Magneten gefüllt sind, um Magnetfelder zu erzeugen, in denen Atompartikel wie ein Bienenschwarm herumschwirren und tanzen. Schwer vorstellbar? Die gute Nachricht ist, dass Sie sich jetzt dank verblüffend realistischer 3D-Visualisierungstechnologie eine Live-Simulation eines solchen Reaktortyps – Tokamak genannt – ansehen können.
An der EPFL ist das Labor für experimentelle Museologie (EM+) auf diese Technologie spezialisiert und hat ein Programm entwickelt, das die Terabyte an Daten, die aus den Tokamak-Simulationen und -Tests des Swiss Plasma Center (SPC) der EPFL generiert werden, in ein immersives 3D-Visualisierungserlebnis umwandelt.
Für die breite Öffentlichkeit ist die Visualisierung eine Reise in einen Feuerwerksring, der eine mögliche Energiequelle der Zukunft veranschaulicht; für Wissenschaftler ist sie ein wertvolles Werkzeug, um die komplexen Phänomene der Quantenphysik greifbar zu machen und ihnen zu helfen, die Ergebnisse ihrer Berechnungen zu verstehen.
Bilder so präzise, dass sie den Verschleiß zeigen
Die 3D-Visualisierung – ein Panorama mit einer Höhe von 4 Metern und einem Durchmesser von 10 Metern – ist eine originalgetreue Reproduktion des Inneren des Tokamaks mit variabler Konfiguration (TCV) der EPFL, die in so atemberaubender Detailliertheit wiedergegeben ist, dass sie sogar mit dem qualitativ hochwertigsten Spielerlebnis mithalten kann. Der experimentelle Reaktor [CS1] wurde vor über 30 Jahren erbaut und ist noch immer das einzige seiner Art auf der Welt.
„Wir haben mit einem Roboter hochpräzise Scans des Reaktorinneren erstellt und diese dann zu einem 3D-Modell zusammengefügt, das die Komponenten bis hin zur Textur nachbildet“, sagt Samy Mannane, Informatiker bei EM+. „Wir konnten sogar die Abnutzung der Graphitkacheln an den Reaktorwänden erfassen, die während der Testläufe des TCV extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind.“
Die Ingenieure von SPC erstellten Gleichungen, um genau zu berechnen, wie sich die Quantenteilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt bewegen. Die EM+-Forscher integrierten diese Gleichungen dann zusammen mit Reaktordaten in ihr 3D-Visualisierungssystem. Der Haken dabei ist, dass alle Berechnungen in Echtzeit durchgeführt werden müssen.
„Um nur ein einziges Bild zu erzeugen, muss das System die Flugbahnen von Tausenden sich bewegender Partikel mit einer Geschwindigkeit von 60 Mal pro Sekunde für jedes Auge berechnen“, sagt Mannane. Diese aufwändige Rechenarbeit wird von fünf Computern mit jeweils zwei GPUs durchgeführt, die EM+ für dieses Projekt angeschafft hat.
Die Computerausgabe wird in die fünf 4k-Projektoren des Panoramas eingespeist. „Wir konnten unser System dank der Fortschritte in der Infografik-Technologie aufbauen“, sagt Sarah Kenderdine, die Professorin, die EM+ leitet. „Noch vor fünf Jahren wäre das unmöglich gewesen.“
Das Ergebnis sind realistische Bilder von atemberaubender Qualität. Sie können das Injektionsgerät sehen, das Partikel in den Tokamak einbringt, sowie die Graphitkacheln, die Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius standhalten können.
Und das Ausmaß all dessen ist beeindruckend. Um den Betrachtern eine Vorstellung zu geben, enthält die Visualisierung das Bild eines Menschen – der Reaktor ist etwa doppelt so groß. Während die Simulation an Fahrt aufnimmt, fühlt sich der Betrachter ganz klein, während Tausende von Partikeln vorbeihuschen, sich drehen und wirbeln und einander jagen. Elektronen sind rot, Protonen grün und blaue Linien zeigen das Magnetfeld an. Benutzer können jeden Parameter anpassen, um einen bestimmten Teil des Reaktors aus einem gewählten Winkel mit nahezu perfekter Darstellung zu betrachten.
SPC-Direktor Paolo Ricci erklärt: „Die Visualisierungstechniken sind in der Astrophysik ziemlich weit fortgeschritten, was größtenteils Planetarien zu verdanken ist. Aber in der Kernfusion beginnen wir gerade erst, diese Technologie zu nutzen – vor allem dank der Arbeit, die wir mit EM+ leisten.“
Dank der Kompetenz des SPC auf diesem Gebiet beteiligt sich die EPFL am Projekt International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) und ist ein wichtiges Mitglied des EUROfusion-Konsortiums. Tatsächlich wurde die EPFL als Standort eines der fünf Advanced Computing Hubs des Konsortiums ausgewählt, wodurch den an diesem Projekt beteiligten Forschern ein fortschrittliches Tool zur Visualisierung ihrer Arbeit zur Verfügung steht.
Output und Kunst verbinden
Laut Kenderdine bestand die größte Herausforderung darin, „aus einer so riesigen Datenbank konkrete Informationen zu extrahieren, um eine Visualisierung zu erstellen, die präzise, stimmig und ‚real‘ ist – auch wenn sie virtuell ist. Das Ergebnis ist außergewöhnlich, und ich würde sogar sagen, wunderschön, und es gibt den Wissenschaftlern ein nützliches Werkzeug an die Hand, das eine Reihe von Möglichkeiten eröffnet.“
„Die Physik hinter dem Visualisierungsprozess ist extrem kompliziert“, sagt Ricci. „Tokamaks haben viele verschiedene bewegliche Teile: Partikel mit heterogenem Verhalten, Magnetfelder, Wellen zum Erhitzen des Plasmas, von außen eingespritzte Partikel, Gase und mehr. Selbst Physiker haben Schwierigkeiten, alles zu sortieren.“
„Die von EM+ entwickelte Visualisierung kombiniert die Standardausgabe von Simulationsprogrammen – im Wesentlichen Zahlentabellen – mit Echtzeit-Visualisierungstechniken, die das Labor verwendet, um eine Videospiel-ähnliche Atmosphäre zu schaffen.“