Ohromující 3D vizualizace jaderné fúze vás zavede do tokamaku
Pokud jde o perspektivní formy energie, jaderná fúze splňuje všechny předpoklady: je čistá, hojná, nepřetržitá a bezpečná. Vzniká, když se lehká jádra dvou atomů spojí a vytvoří těžší jádro, přičemž se uvolní velké množství energie.
K tomu, aby fúzní reakce probíhaly řízeně, jsou zapotřebí obrovské reaktory v podobě obřích prstenců, které jsou naplněny magnety, jež vytvářejí magnetické pole, v němž atomové částice „bzučí a tančí“ jako roj včel.
Těžko si to představit? Dobrou zprávou je, že si nyní můžete prohlédnout živou simulaci tohoto typu reaktoru – nazývaného tokamak – díky úžasně realistické technologii 3D vizualizace.
Na EPFL se na tuto technologii specializuje Laboratoř experimentální muzeologie (EM+), která vyvinula program, jenž terabajty dat generovaných při simulacích a testování tokamaků prováděných Švýcarským plazmovým centrem EPFL (SPC) proměňuje v pohlcující 3D vizualizaci. Pro širokou veřejnost je vizualizace cestou do prstence ohňostrojů ilustrujícího možný budoucí zdroj energie, pro vědce je cenným nástrojem, který složité jevy kvantové fyziky činí hmatatelnými a pomáhá jim pochopit výsledky jejich výpočtů.
Obrázky tak přesné, že je na nich vidět opotřebení
3D vizualizace – panorama o výšce 4 metry a průměru 10 metrů – je věrnou reprodukcí vnitřku tokamaku EPFL s proměnlivou konfigurací (TCV), která je vykreslena v tak ohromujících detailech, že se vyrovná i těm nejkvalitnějším herním zážitkům.
Experimentální reaktor byl postaven před více než 30 lety a stále je jediným svého druhu na světě. „Pomocí robota jsme vytvořili velmi přesné skeny vnitřku reaktoru, které jsme pak sestavili a vytvořili 3D model, který kopíruje jeho součásti až do jejich textury,“ říká Samy Mannane, počítačový vědec ve společnosti EM+.
„Podařilo se nám dokonce zachytit opotřebení grafitových dlaždic obkládajících stěny reaktoru, které jsou během zkušebního provozu TCV vystaveny extrémně vysokým teplotám.“ Inženýři SPC poskytli rovnice pro přesný výpočet pohybu kvantových částic v daném časovém okamžiku. Výzkumníci z EM+ pak tyto rovnice spolu s údaji o reaktoru začlenili do svého 3D vizualizačního systému. Háček je v tom, že všechny výpočty musí být prováděny v reálném čase.
„K vytvoření jediného snímku musí systém vypočítat trajektorie tisíců pohybujících se částic rychlostí 60krát za sekundu pro každé oko,“ říká Mannane. Toto náročné počítání provádí pět počítačů se dvěma grafickými procesory, které společnost EM+ pořídila pro tento projekt. Výstupy z počítačů jsou přiváděny do pěti 4k projektorů panoramatu.
„Náš systém jsme mohli vytvořit díky pokroku v technologii infografiky,“ říká Sarah Kenderdine, profesorka, která stojí v čele EM+. „Ještě před pěti lety by to bylo nemožné.“ Výsledkem jsou realistické snímky ohromující kvality. Můžete si prohlédnout vstřikovací zařízení, které vkládá částice do tokamaku, i grafitové dlaždice schopné odolat teplotám přes 100 milionů stupňů Celsia.
A měřítko toho všeho je impozantní. Aby si diváci udělali představu, vizualizace obsahuje obrázek lidské bytosti, reaktor je zhruba dvakrát větší než oni. Jak simulace narůstá, divák si připadá docela malý, protože kolem něj prolétají tisíce částic, které se točí, víří a honí. Červeně jsou vyznačeny elektrony, zeleně protony a modré čáry označují magnetické pole. Uživatelé mohou upravit kterýkoli z parametrů a zobrazit určitou část reaktoru ve zvoleném úhlu s téměř dokonalým vykreslením.
Ředitel SPC Paolo Ricci vysvětluje: „Vizualizační techniky jsou v astrofyzice poměrně pokročilé, a to především díky planetáriím. Ale v oblasti jaderné fúze tuto technologii teprve začínáme využívat, zejména díky práci, kterou děláme s EM+.“ EPFL se na základě špičkových výsledků SPC v této oblasti podílí na projektu Mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru (ITER) a je klíčovým členem konsorcia EUROfusion.
Ve skutečnosti byla EPFL vybrána jako sídlo jednoho z pěti pokročilých výpočetních center konsorcia, což výzkumným pracovníkům zapojeným do tohoto projektu financovaného EU poskytuje pokročilý nástroj pro vizualizaci jejich práce.
Spojení výstupu a umění
Kenderdine říká, že největší výzvou bylo „vytěžit hmatatelné informace z tak obrovské databáze a vytvořit vizualizaci, která bude přesná, koherentní a „skutečná“, i když je virtuální. „Výsledek je mimořádný, řekl bych dokonce krásný, a dává vědcům užitečný nástroj, který otevírá řadu možností.“
„Fyzika, která stojí za procesem vizualizace, je nesmírně složitá,“ říká Ricci.
„Tokamaky mají mnoho různých pohyblivých částí: částice s různorodým chováním, magnetická pole, vlny pro ohřev plazmatu, částice vstřikované zvenčí, plyny a další. „Dokonce i fyzikové mají problém vše roztřídit. Vizualizace vyvinutá v EM+ kombinuje standardní výstupy simulačních programů, v podstatě tabulky čísel, s technikami vizualizace v reálném čase, které laboratoř používá k vytvoření atmosféry podobné videohře.“
Kromě SPC a EM+ se na projektu Advanced Computing Hub podílejí další tři skupiny EPFL: Swiss Data Science Center, Matematický ústav a oddělení Scientific IT & Application Support Unit (SCITAS).
Autor: Lukáš Drahozal
Zdroj: actu.epfl.ch, reddit.com, youtube.com