Die Simulation: Das dritte Standbein der Wissenschaft
Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI simulieren und modellieren sowohl Grossforschungsanlagen als auch Experimente, zum Beispiel in den Material- und Biowissenschaften. Wie sie dabei vorgehen erklärt Andreas Adelmann, Leiter des PSI Labors für Simulation und Modellierung.
(Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
(Grafik: Paul Scherrer Institut)
Das Labor für Simulation und Modellierung LSM, dessen Leitung Sie übernommen haben, wurde Anfang 2018 als Zusammenschluss verschiedener Arbeitsgruppen neu gegründet. Was erhoffen Sie sich davon?
Das LSM ist das Kompetenzcenter des PSI für wissenschaftliche Fragestellungen, fokussiert auf Theorie, Modellierung und Hochleistungsrechnen. Durch Synergien können wir nun besser das enorme Wissen jeder der sechs Arbeitsgruppen vernetzen und nutzen.
Was simulieren und modellieren Sie bei den Grossforschungsanlagen des PSI?
Die grossen Teilchenbeschleuniger am PSI müssen von der Teilchenquelle bis zum Experiment simuliert werden. Wir möchten über jedes einzelne Teilchen genauestens Bescheid wissen und sind besonders an dem geringen Anteil an Teilchen interessiert, der beim Beschleunigungsprozess verlorengeht oder nicht wunschgemäss beim Experiment ankommt. Durch Simulationen und Modellierungen werden Beschleuniger nicht nur neu konstruiert, sondern auch weiterentwickelt und optimiert. Wir setzen numerische Modelle auch für Simulation der Instrumente und Auswertung der Daten ein. Eine grosse Herausforderung ist das Datenvolumen, das dabei anfällt: Es wird besonders bei SwissFEL und den Experimenten an der geplanten SLS 2.0 enorm ansteigen. Da sind alle Kompetenzen aus den Fachgruppen unseres Labors gefragt.
Was wird in Ihrem Labor ansonsten noch simuliert?
Zum Beispiel, wie sich in Materialien Defekte – beispielsweise Risse – fortpflanzen. Auch Materialien, die vielleicht einmal in künftigen Quantencomputern Verwendung finden sollen, werden in unserem Labor erforscht. In einem anderen Projekt simulieren wir Rezeptoren, die in Zellen an Proteine gekoppelt sind. Sie fungieren quasi als Telefonleitungen im Kommunikationsnetz des Körpers.
Mit solchen Erkenntnissen zu Phänomenen der Material- und Biowissenschaften unterstützten wir die experimentelle Forschung am PSI. Damit entwickeln Forschende effizientere Experimente, oder lassen sich von Modellrechnungen inspirieren. Simulation ist neben der theoretischen und experimentellen Forschung das dritte Standbein der Wissenschaft.
Wie sieht denn so ein Weg von Ihrem Modell zum Simulationsergebnis und dessen Anwendung aus?
Das Modell ist die Abbildung der Realität, also der Physik in mathematischen Gleichungen. Es setzt die Rahmenbedingungen für eine Simulation. Wenn wir das Modell erstellen, entscheiden wir zuerst, welche Faktoren wir ignorieren wollen, damit es für die spätere Berechnung nicht zu kompliziert wird. Schliesslich wollen wir ja sicherstellen, dass eine Simulation noch vor meinem Rentenantritt fertig ist. (schmunzelnd)
Bei einem Beschleuniger zum Beispiel ist es eine der ersten Entscheidungen, ob herumfliegende Teilchen im Modell zusammenstossen dürfen oder nicht. Wenn ich die Kollisionen nicht berücksichtige, lasse ich etwas weg von der Realität – ich kreiere eine vereinfachte Version der Realität: das Modell. Die so erhaltenen, vereinfachten Grundgleichungen bilden wir auf dem Computer ab, indem wir ein Programm schreiben.
Die Simulation starten wir dann mit bestimmten Anfangsbedingungen, beispielsweise geben wir in das Computerprogramm die Anfangsorte und Geschwindigkeiten von Teilchen ein. Unser Ergebnis sind dann die Endzustände der Teilchen, nachdem sie durch den Beschleuniger geflogen sind. Im Fall der Protonentherapie tragen solche Rechnungen dazu bei, dass die Strahlendosis für jeden einzelnen Patienten präzise bestimmt werden kann.
Nun können Sie wohl niemals die gesamte Realität darstellen, welche Unsicherheiten können bei einer Simulation noch auftreten?
Es entstehen beispielsweise numerische Artefakte dadurch, dass Zahlen mit Nachkommastellen im Computer immer nur endlich dargestellt werden können, reelle Zahlen mit unendlich vielen Nachkommastellen also grundsätzlich gerundet werden müssen. Im Computerprogramm sind Fehler auch nicht auszuschliessen. Wir können kein Programm schreiben, welches ein anderes Programm auf dessen Korrektheit überprüfen kann.
Viele Gleichungen lassen sich auch nicht exakt lösen. Wenn wir allerdings vorab schon den zu tolerierenden Fehler angeben, können wir dieses Problem umgehen. Das ist eben das faszinierende am Fachgebiet der numerischen Mathematik.
Interview: Paul Scherrer Institut/Christina Bonanati
