EPFL macht Kernfusion im Tokamak mit 3D-Visualisierung erlebbar

Bei den vielversprechenden Energieformen erfüllt die Kernfusion alle Voraussetzungen: Sie ist sauber, reichlich verfügbar, kontinuierlich und sicher.

Sie entsteht, wenn die leichten Kerne zweier Atome zu einem schwereren Kern verschmelzen und dabei grosse Energiemengen freisetzen.

Damit Fusionsreaktionen kontrolliert ablaufen können, braucht es gewaltige ringförmige Reaktoren. Sie sind mit Magneten ausgestattet, die Magnetfelder erzeugen, in denen sich Atomteilchen wie ein Bienenschwarm bewegen und drehen.

Schwer vorstellbar? Dank beeindruckend realistischer 3D-Visualisierungstechnik lässt sich eine Live-Simulation eines solchen Reaktors, eines sogenannten Tokamaks, jetzt betrachten.

Am Laboratory for Experimental Museology (EM+) der EPFL liegt der Schwerpunkt auf dieser Technologie. Das Labor entwickelte ein Programm, das die Terabytes an Daten aus den Tokamak-Simulationen und -Versuchen des Swiss Plasma Center (SPC) der EPFL in ein immersives 3D-Visualisierungserlebnis überführt.

Für die breite Öffentlichkeit ist die Visualisierung eine Reise in einen Feuerwerksring, der eine mögliche Energiequelle der Zukunft darstellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bietet sie hingegen ein wertvolles Werkzeug: Komplexe Erscheinungen der Quantenphysik werden greifbar und die Resultate ihrer Berechnungen verständlicher.

Bilder mit sichtbaren Gebrauchsspuren

Die 3D-Visualisierung ist ein 4 Meter hohes und 10 Meter durchmessendes Panorama. Sie bildet das Innere des Tokamaks mit variabler Konfiguration (TCV) der EPFL originalgetreu ab und erreicht eine Detailtiefe, die selbst mit erstklassigen Gaming-Erlebnissen konkurriert.

Der experimentelle Reaktor wurde vor über 30 Jahren gebaut und ist bis heute weltweit der einzige seiner Art.

„Wir haben mit einem Roboter hochpräzise Scans des Reaktorinneren erstellt und diese anschliessend zu einem 3D-Modell zusammengefügt, das seine Komponenten bis hin zu ihren Oberflächenstrukturen nachbildet“, sagt Samy Mannane, Informatiker am EM+.

„Sogar die Abnutzung der Graphitkacheln an den Reaktorwänden konnten wir erfassen. Während der TCV-Testläufe sind sie extrem hohen Temperaturen ausgesetzt.“

Die Ingenieurinnen und Ingenieure des SPC lieferten Gleichungen, mit denen sich die Bewegung der Quantenteilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt exakt berechnen lässt. Die Forschenden des EM+ integrierten diese Gleichungen gemeinsam mit Reaktordaten in ihr 3D-Visualisierungssystem. Die Herausforderung besteht darin, dass sämtliche Berechnungen in Echtzeit erfolgen müssen.

„Für ein einziges Bild muss das System die Bahnen von Tausenden bewegten Teilchen für jedes Auge 60-mal pro Sekunde berechnen“, erklärt Mannane.

Diese rechenintensive Aufgabe übernehmen fünf Computer mit jeweils 2 GPUs, die EM+ speziell für das Projekt angeschafft hat. Ihre Ausgaben werden an die fünf 4K-Projektoren des Panoramas weitergeleitet.

„Fortschritte in der Computergrafik haben den Bau unseres Systems erst ermöglicht“, sagt Sarah Kenderdine, Professorin und Leiterin des EM+. „Noch vor fünf Jahren wäre das unmöglich gewesen.“

Der Tokamak in Echtzeit und voller Detailtiefe

Das Ergebnis sind bemerkenswert realistische Bilder von aussergewöhnlicher Qualität. Zu sehen sind sowohl die Einspritzvorrichtung, die Teilchen in den Tokamak einbringt, als auch die Graphitkacheln, die Temperaturen von mehr als 100 Millionen Grad Celsius standhalten.

Auch die Dimensionen hinterlassen Eindruck. Damit Besucherinnen und Besucher die Grössenverhältnisse erfassen können, enthält die Visualisierung die Darstellung eines Menschen; der Reaktor ist ungefähr doppelt so gross. Mit zunehmender Intensität der Simulation fühlt man sich angesichts Tausender vorbeirasender Teilchen klein, während sie sich drehen, wirbeln und einander verfolgen.

Elektronen erscheinen rot, Protonen grün, und blaue Linien kennzeichnen das Magnetfeld. Nutzende können sämtliche Parameter verändern, um einen bestimmten Reaktorbereich aus einem frei gewählten Blickwinkel in nahezu perfekter Darstellung zu betrachten.

SPC-Direktor Paolo Ricci erläutert: „Visualisierungstechniken sind in der Astrophysik recht weit entwickelt, vor allem dank der Planetarien. In der Kernfusion beginnen wir dagegen gerade erst, diese Technologie einzusetzen – insbesondere dank unserer Arbeit mit EM+.“

Aufbauend auf der Expertise des SPC in diesem Bereich beteiligt sich die EPFL am Projekt Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor (ITER) und zählt zu den wichtigen Mitgliedern des EUROfusion-Konsortiums.

Die EPFL wurde zudem ausgewählt, eines der fünf Zentren für fortgeschrittenes Rechnen des Konsortiums zu beherbergen. Damit erhalten die Forschenden in diesem EU-finanzierten Projekt ein leistungsfähiges Instrument zur Visualisierung ihrer Arbeit.

Rechenleistung und Kunst vereinen

Laut Kenderdine bestand die grösste Herausforderung darin, „aus einer so riesigen Datenbank greifbare Informationen zu gewinnen, um eine Visualisierung zu schaffen, die präzise, schlüssig und ‚real‘ ist – auch wenn sie virtuell bleibt.

„Das Resultat ist aussergewöhnlich, ich würde sogar sagen schön, und es verschafft Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ein hilfreiches Werkzeug, das vielfältige Möglichkeiten eröffnet.“

„Die Physik hinter dem Visualisierungsprozess ist äusserst komplex“, sagt Ricci.

„Tokamaks besitzen viele unterschiedliche bewegliche Elemente: Teilchen mit heterogenem Verhalten, Magnetfelder, Wellen zur Plasmaerwärmung, von aussen eingebrachte Teilchen, Gase und vieles mehr.

„Selbst Physikerinnen und Physiker tun sich schwer damit, all dies zu entwirren. Die von EM+ entwickelte Visualisierung verbindet die üblichen Ausgaben von Simulationsprogrammen – im Wesentlichen Zahlentabellen – mit Echtzeit-Visualisierungstechniken, die das Labor für eine videospielähnliche Atmosphäre nutzt.“

Neben SPC und EM+ wirken drei weitere EPFL-Gruppen am Zentrum für fortgeschrittenes Rechnen mit: das Swiss Data Science Center, das Institut für Mathematik sowie die Einheit für wissenschaftliche IT und Anwendungsunterstützung (SCITAS).

Dieser Artikel wurde ursprünglich von der EPFL veröffentlicht.