EPFL zostało wybrane przez konsorcjum EUROfusion do opracowania zaawansowanego systemu wizualizacji wstępnego procesu w fuzji jądrowej. System jest zaprojektowany tak, aby przekształcać sterty danych symulacyjnych i testowych w grafikę w czasie rzeczywistym, godną dzisiejszych zaawansowanych gier wideo.
Jeśli chodzi o obiecujące formy energii, fuzja jądrowa spełnia wszystkie kryteria: jest czysta, obfita, ciągła i bezpieczna. Powstaje, gdy lekkie jądra dwóch atomów łączą się ze sobą, tworząc cięższe jądro, uwalniając w tym procesie duże ilości energii. Aby reakcje fuzji mogły zachodzić w sposób kontrolowany, potrzebne są ogromne reaktory w formie gigantycznych pierścieni, które są wypełnione magnesami, aby tworzyć pola magnetyczne, w których cząsteczki atomowe brzęczą i tańczą jak rój pszczół. Trudno to sobie wyobrazić? Dobra wiadomość jest taka, że teraz możesz obejrzeć symulację na żywo tego rodzaju reaktora – zwanego tokamakiem – dzięki oszałamiająco realistycznej technologii wizualizacji 3D.
W EPFL, Laboratory for Experimental Museology (EM+) specjalizuje się w tej technologii i opracował program, który zamienia terabajty danych wygenerowanych z symulacji tokamaków i testów przeprowadzanych przez Swiss Plasma Center (SPC) EPFL w immersyjne doświadczenie wizualizacji 3D. Dla ogółu społeczeństwa wizualizacja jest podróżą do kręgu fajerwerków ilustrujących możliwe przyszłe źródło energii; dla naukowców jest to cenne narzędzie, które czyni złożone zjawiska fizyki kwantowej namacalnymi i pomaga im zrozumieć wyniki ich obliczeń.
Wizualizacja 3D – panorama o wysokości 4 metrów i średnicy 10 metrów – jest wierną reprodukcją wnętrza tokamaka o zmiennej konfiguracji (TCV) EPFL, renderowaną w tak oszałamiających szczegółach, że dorównuje nawet najlepszej jakości rozgrywce. Eksperymentalny reaktor [CS1] został zbudowany ponad 30 lat temu i nadal jest jedynym tego typu na świecie. „Użyliśmy robota do wygenerowania ultraprecyzyjnych skanów wnętrza reaktora, które następnie skompilowaliśmy, aby stworzyć model 3D, który odtwarza jego komponenty aż do ich tekstury” — mówi Samy Mannane, informatyk w EM+. „Byliśmy nawet w stanie uchwycić zużycie i uszkodzenia płytek grafitowych wyściełających ściany reaktora, które są narażone na ekstremalnie wysokie temperatury podczas testów TCV”.
Inżynierowie SPC dostarczyli równania do dokładnego obliczenia, jak cząstki kwantowe poruszają się w danym punkcie czasu. Następnie badacze EM+ włączyli te równania, wraz z danymi z reaktora, do swojego systemu wizualizacji 3D. Problem polega na tym, że wszystkie obliczenia muszą być wykonywane w czasie rzeczywistym. „Aby wytworzyć tylko jeden obraz, system musi obliczyć trajektorie tysięcy poruszających się cząstek z prędkością 60 razy na sekundę dla każdego oka” — mówi Mannane. Te ciężkie obliczenia liczbowe są wykonywane przez pięć komputerów z 2 procesorami graficznymi każdy, które EM+ nabyło na potrzeby tego projektu. Dane wyjściowe komputerów są przesyłane do pięciu projektorów 4K panoramy. „Dzięki postępom w technologii infografik udało nam się zbudować nasz system” — mówi Sarah Kenderdine, profesor kierująca EM+. „Byłoby to niemożliwe nawet pięć lat temu”.
Rezultatem są realistyczne obrazy o oszałamiającej jakości. Można zobaczyć urządzenie wtryskowe, które osadza cząsteczki w tokamaku, a także płytki grafitowe, które wytrzymują temperatury przekraczające 100 milionów stopni Celsjusza. A skala tego wszystkiego jest imponująca. Aby dać widzom wyobrażenie, wizualizacja obejmuje obraz człowieka — reaktor jest mniej więcej dwa razy większy od niego. W miarę jak symulacja nabiera tempa, widz czuje się całkiem mały, gdy tysiące cząsteczek przelatuje obok, wirując, kręcąc się i goniąc się nawzajem. Elektrony są na czerwono; protony na zielono; a niebieskie linie wskazują pole magnetyczne. Użytkownicy mogą dostosować dowolny z parametrów, aby zobaczyć określoną część reaktora pod wybranym kątem, z niemal idealnym renderowaniem.
Dyrektor SPC Paolo Ricci wyjaśnia: „Techniki wizualizacji są dość zaawansowane w astrofizyce, głównie dzięki planetariom. Ale w fuzji jądrowej dopiero zaczynamy używać tej technologii – w szczególności dzięki pracy, którą wykonujemy z EM+”. Korzystając z doskonałości SPC w tej dziedzinie, EPFL bierze udział w projekcie International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) i jest kluczowym członkiem konsorcjum EUROfusion. W rzeczywistości EPFL zostało wybrane do umieszczenia jednego z pięciu zaawansowanych centrów obliczeniowych konsorcjum, dając badaczom zaangażowanym w ten projekt zaawansowane narzędzie do wizualizacji ich pracy.
Łączenie produkcji i sztuki
Kenderdine mówi, że największym wyzwaniem było „wydobycie namacalnych informacji z tak ogromnej bazy danych w celu stworzenia wizualizacji, która jest dokładna, spójna i „rzeczywista” – nawet jeśli jest wirtualna. Rezultat jest niezwykły, a nawet powiedziałbym piękny, i daje naukowcom użyteczne narzędzie, które otwiera szereg możliwości”.
„Fizyka stojąca za procesem wizualizacji jest niezwykle skomplikowana” — mówi Ricci. „Tokamaki mają wiele różnych ruchomych części: cząsteczki o heterogenicznym zachowaniu, pola magnetyczne, fale do ogrzewania plazmy, cząsteczki wstrzykiwane z zewnątrz, gazy i wiele innych. Nawet fizycy mają trudności z uporządkowaniem wszystkiego. Wizualizacja opracowana przez EM+ łączy standardowe wyjście programów symulacyjnych — zasadniczo tabele liczb — z technikami wizualizacji w czasie rzeczywistym, których laboratorium używa do tworzenia atmosfery przypominającej grę wideo”.
Oprócz SPC i EM+, w Advanced Computing Hub biorą udział trzy inne grupy EPFL: Szwajcarskie Centrum Nauki o Danych, Instytut Matematyki i Jednostka Wsparcia Naukowego IT i Aplikacji (SCITAS).
Paolo Ricci objął stanowisko dyrektora EPFL Swiss Plasma Center (SPC) 1 czerwca 2024 r., zastępując Ambrogio Fasoliego. Ricci, profesor fizyki w EPFL, zdobył kilka nagród za doskonałość w nauczaniu i piastuje stanowisko SPC Chair of Theory. Dzięki 18-letniemu doświadczeniu w EPFL kieruje obecnie jednym z najbardziej prestiżowych europejskich ośrodków badawczych w dziedzinie fizyki plazmy.
