50-mal schneller: Deutsche Forscher beschleunigen wichtige Fusions-Berechnungen
Ein neues Verfahren aus Dresden macht Simulationen für die Fusionsforschung bis zu 50-mal schneller und spart enorme Rechenzeit.
Am European XFEL erzeugen Laser extreme Materiezustände. Das neue Rechenverfahren beschleunigt die Auswertung der Daten für die Fusionsforschung deutlich. © Toma Toncian
Kernfusion gilt als eine der großen Hoffnungen für die Energieversorgung der Zukunft. Auf dem Weg dorthin stehen Forscher jedoch vor einem oft übersehenen Problem. Moderne Experimente erzeugen gewaltige Datenmengen, deren Auswertung viel Zeit und Rechenleistung kostet. Ein deutsches Forschungsteam hat nun einen wichtigen Engpass bei solchen Berechnungen deutlich reduziert.
Am European XFEL bei Hamburg, dem stärksten Röntgenlaser der Welt, untersuchen Wissenschaftler Materie unter Bedingungen wie im Inneren von Sternen oder großen Planeten. Die Auswertung dieser Messungen verschlingt oft enorme Rechenleistung. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat dafür nun ein neues Verfahren entwickelt. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team in der Fachzeitschrift npj Computational Materials. In einem wichtigen Anwendungsfall liefen die Simulationen mehr als 50-mal schneller als bisher.
Wie groß der Effekt ausfällt, zeigt ein Beispiel aus der Studie. Bei stark erhitztem Aluminium sank der Rechenaufwand von rund 880.000 auf etwa 16.000 CPU-Stunden. Für die Forschung bedeutet das deutlich mehr Berechnungen in derselben Zeit und eine schnellere Auswertung wichtiger Experimente.
Warum die Fusionsforschung davon profitieren könnte
Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Laserfusion. Dabei treffen extrem starke Laserpulse auf ein winziges Kügelchen aus Wasserstoff. Der Brennstoff wird so stark zusammengedrückt und aufgeheizt, dass Atomkerne verschmelzen und Energie freisetzen.
Langfristig soll daraus eine neue Energiequelle entstehen. Dafür müssen Wissenschaftler jedoch genau verstehen, welche Temperaturen und Drücke während dieser Prozesse tatsächlich auftreten. Dr. Tobias Dornheim, Leiter der Abteilung Hochenergiedichte am Institut für Strahlenphysik des HZDR erklärt:
Wenn wir ein Fusionskraftwerk haben wollen, müssen wir verstehen, was in solchen extremen Materiezuständen wirklich passiert.
Der European XFEL untersucht extreme Materiezustände
Der European XFEL gehört zu den modernsten Forschungsanlagen Europas. Wissenschaftler untersuchen dort Materie unter Bedingungen, die auf der Erde kaum vorkommen:
- Temperaturen wie im Inneren von Sternen
- Extreme Drücke wie in großen Gasplaneten
- Bedingungen, die bei Experimenten zur Kernfusion entstehen
Die Anlage erzeugt ultrakurze und besonders intensive Röntgenblitze. Diese durchdringen Materialien und liefern Informationen über deren Aufbau. Die Messdaten allein reichen jedoch oft nicht aus. Deshalb vergleichen Forscher die Ergebnisse mit aufwendigen Computersimulationen.
Dafür berechnen sie zahlreiche Kombinationen aus Temperatur und Dichte. Erst wenn Simulation und Messung übereinstimmen, lassen sich die tatsächlichen Bedingungen bestimmen. Dieser sogenannte Parameter-Scan verschlingt enorme Rechenleistung. Zusätzlich müssen bei hohen Temperaturen viele quantenmechanische Zustände berücksichtigt werden. Außerdem entstehen numerische Artefakte, die Ergebnisse verfälschen können. „Und die verfügbare Rechenzeit ist schlicht und einfach nicht unbegrenzt vorhanden“, sagt Dornheim.
Computer trennen Signal und Rauschen genauer
Die neue Methode verfolgt einen anderen Ansatz. Statt Berechnungen immer weiter zu verfeinern, identifiziert sie gezielt jene Teile eines Signals, die tatsächlich physikalische Informationen enthalten. Störendes numerisches Rauschen wird herausgefiltert. Gleichzeitig bleiben wichtige Details erhalten. Herkömmliche Glättungsverfahren können solche feinen Strukturen teilweise verwischen.
„Wir kombinieren einen zuverlässigen Konvergenztest mit einem Filterverfahren, das künstliche Schwankungen entfernt, ohne die physikalische Information zu verfälschen“, erklärt Dr. Zhandos Moldabekov vom HZDR. Er entwickelte die Grundidee für das neue Verfahren. „Bei unseren Tests liefen die Simulationen um einen Faktor 50 schneller“, sagt Moldabekov.
Nutzen reicht weit über Fusionsforschung hinaus
Die neue Methode könnte auch in anderen Forschungsgebieten eine wichtige Rolle spielen. Dazu zählen:
- Materialforschung unter extremen Temperaturen
- Laborastrophysik
- Untersuchungen des Inneren von Planeten
- Berechnungen elektrischer Leitfähigkeit
- Analysen der Strahlungsaufnahme von Materialien
Moldabekov blickt bereits weiter nach vorn: „Unser Verfahren dürfte sich zu einem Standardwerkzeug für die Interpretation moderner Röntgenexperimente entwickeln. Damit könnte es künftig eine wichtige Rolle bei der Erforschung extremer Materiezustände spielen.“
Kurz zusammengefasst:
- Ein Forschungsteam aus Dresden hat eine Methode entwickelt, die Simulationen für die Fusionsforschung um mehr als das 50-Fache beschleunigen kann und den Rechenaufwand von rund 880.000 auf etwa 16.000 CPU-Stunden senkte.
- Die neue Technik filtert störendes Rechenrauschen heraus, erhält wichtige physikalische Informationen und hilft Forschern dabei, extreme Materiezustände für die Fusionsforschung schneller und genauer zu analysieren.
- Von dem Verfahren könnten künftig auch andere Bereiche profitieren, darunter die Materialforschung, die Astrophysik sowie Untersuchungen von Planeten und Materialien unter extremen Temperaturen und Drücken.
Übrigens: Während deutsche Forscher die Auswertung von Fusionsexperimenten massiv beschleunigen, sucht eine neue KI bereits nach den Materialien für künftige Fusionsreaktoren. Sie prüfte mehr als 1000 Wolfram-Legierungen und könnte die Entwicklung hitzebeständiger Werkstoffe von Monaten auf Tage verkürzen. Mehr dazu in unserem Artikel.
Bild: © Toma Toncian
