Wizualizacja 3D ożywia fuzję jądrową

Źródło: Politechnika Federalna w Lozannie 

Aby reakcje fuzji zachodziły w kontrolowany sposób, potrzebne są ogromne reaktory w kształcie gigantycznych pierścieni, wewnątrz których cząstki atomowe wirują i tańczą jak rój pszczół w polu magnetycznym tworzonym przez magnesy. Trudno to sobie wyobrazić? Dobra wiadomość jest taka, że ​​dzięki niezwykle realistycznej technologii wizualizacji 3D można na żywo zobaczyć symulację tego typu reaktora jądrowego, zwanego tokamakiem. Instytut Muzeologii Eksperymentalnej (EM+) na Politechnice Federalnej w Lozannie (EPFL) specjalizuje się w tej technologii, przekształcając terabajty danych z symulacji i testów tokamaków przeprowadzanych przez Szwajcarskie Centrum Plazmy (SPC) EPFL w immersyjne wizualizacje 3D. Dla ogółu społeczeństwa wizualizacja ta jest jak podróż przez krąg fajerwerków, ukazująca potencjalne przyszłe źródło energii. Dla naukowców stanowi cenne narzędzie, które ukonkretnia złożone zjawiska w fizyce kwantowej i pomaga zrozumieć wyniki obliczeń. 

Wizualizacja na nowym poziomie 

Wizualizacja 3D to panorama o wysokości 4 metrów i średnicy 10 metrów, która wiernie odwzorowuje wnętrze tokamaka o zmiennej konfiguracji (TCV) na Politechnice Federalnej w Lozannie (EPFL). Stworzono ją w najdrobniejszych detalach, dorównujących najlepszym doświadczeniom w grach komputerowych. Eksperymentalny reaktor [CS1], zbudowany ponad 30 lat temu, wciąż pozostaje jedynym tego rodzaju na świecie. „Wykorzystaliśmy robota do wykonania bardzo precyzyjnych skanów wnętrza reaktora, które następnie złożyliśmy w model 3D, wiernie odzwierciedlający jego komponenty, aż po tekstury” – mówi Samy Mannane, informatyk z projektu EM+. „Udało nam się również udokumentować zużycie płyt grafitowych wyściełających ściany reaktora, które podczas testów TCV są wystawione na działanie ekstremalnie wysokich temperatur”. Inżynierowie SPC dostarczyli równania umożliwiające dokładne obliczenie ruchu cząstek kwantowych w danym czasie. Następnie badacze z EM+ zintegrowali te równania z danymi z reaktora w systemie wizualizacji 3D. Problem w tym, że wszystkie obliczenia trzeba wykonać w czasie rzeczywistym. „Aby wygenerować tylko jeden obraz, system musi obliczyć trajektorie tysięcy poruszających się cząstek z prędkością 60 razy na sekundę dla lewego i prawego oka dla stworzenia efektu głębi w trójwymiarowej wizualizacji” – mówi Mannane. To złożone przetwarzanie danych odbywa się za pomocą pięciu komputerów, każdy wyposażony w dwa procesory graficzne (GPU), które firma EM+ zakupiła na potrzeby tego projektu. Dane wyjściowe komputera są przesyłane do pięciu projektorów 4K w celu utworzenia panoramy. 

„Postęp w technologii infografiki umożliwił nam zbudowanie systemu” –  mówi profesor kierująca EM+ Sarah Kenderdine. „Jeszcze pięć lat temu nie byłoby to możliwe.” Rezultatem są realistyczne obrazy o zapierającej dech w piersiach jakości. Można zobaczyć urządzenie do wstrzykiwania, które wysyła cząstki do tokamaka, oraz grafitowe płytki, które wytrzymują temperatury przekraczające 100 milionów stopni Celsjusza. Ogólna skala jest imponująca. Aby dać widzowi wyobrażenie o rozmiarach, wizualizacja zawiera wizerunek człowieka; reaktor jest mniej więcej dwa razy większy od niego. W miarę przyspieszania symulacji tysiące cząsteczek przelatują, wirują i gonią się nawzajem, przez co widz czuje się bardzo mały. Elektrony są przedstawione na czerwono, protony na zielono, a niebieskie linie oznaczają pole magnetyczne. Użytkownicy mogą dostosować dowolne parametry, aby niemal idealnie odwzorować wybraną część reaktora pod określonym kątem. Dyrektor SPC, Paolo Ricci, wyjaśnia: „Techniki wizualizacji są bardzo zaawansowane w astrofizyce, głownie dzięki planetariom. Natomiast w przypadku fuzji jądrowej, zwłaszcza w badaniach  prowadzonych we współpracy z EM+, dopiero dopiero zaczynamy korzystać z tej technologii.” Dzięki doświadczeniu SPC w tej dziedzinie, EPFL bierze udział w międzynarodowym projekcie Reaktora Termojądrowego ITER i jest ważnym członkiem konsorcjum EUROfusion. EPFL zostało wybrane na siedzibę jednego z pięciu zaawansowanych centrów obliczeniowych konsorcjum, które dostarczy naukowcom pracującym nad projektem nowoczesne narzędzia do wizualizacji ich badań. 

Wizualizacja na granicy sztuki 

Według Kenderdina największym wyzwaniem jest „wydobywanie konkretnych informacji z tak ogromnych baz danych i tworzenie dokładnych, spójnych i «prawdziwych» wizualizacji, nawet jeśli są wirtualne. Efekt jest niezwykły, a nawet piękny, i daje naukowcom użyteczne narzędzie, które otwiera wiele możliwości.” „Fizyka stojąca za procesem wizualizacji jest bardzo złożona” - mówi Ricci. „Tokamaki mają wiele różnych ruchomych części, takich jak cząstki o różnorodnym zachowaniu, pola magnetyczne, fale służące do podgrzewania plazmy, cząstki wstrzykiwane z zewnątrz, gazy i inne elementy. Nawet fizykom trudno jest to wszystko uporządkować”. „Wizualizacja opracowana przez EM+ łączy standardowe wyniki programów symulacyjnych (w zasadzie pola numeryczne) z technikami wizualizacji w czasie rzeczywistym, które laboratoria wykorzystują do tworzenia atmosfery przypominającej gry komputerowe”.