Impressionante visualização 3D da fusão nuclear leva você para dentro de um Tokamak: WebCuriosos

Quando se trata de formas promissoras de energia, a fusão nuclear preenche todos os requisitos: é limpa, abundante, contínua e segura.

É produzido quando os núcleos leves de dois átomos se fundem para formar um núcleo mais pesado, liberando grandes quantidades de energia no processo.

Para que as reações de fusão ocorram de maneira controlada, são necessários enormes reatores na forma de anéis gigantes, que são preenchidos com ímãs para criar campos magnéticos onde as partículas atômicas zumbem e dançam como um enxame de abelhas.

Difícil de imaginar? A boa notícia é que agora você pode ver uma simulação ao vivo desse tipo de reator – chamado tokamak – graças à tecnologia de visualização 3D incrivelmente realista.

Na EPFL, o Laboratório de Museologia Experimental (EM+) é especializada nesta tecnologia e desenvolveu um programa que transforma os terabytes de dados gerados a partir das simulações e testes de tokamak realizados pelo Swiss Plasma Center (SPC) da EPFL em uma experiência imersiva de visualização 3D.

Para o público em geral, a visualização é uma viagem até um círculo de fogos de artifício que ilustra uma possível fonte futura de energia; para os cientistas, é uma ferramenta valiosa que torna tangíveis os fenômenos complexos da física quântica e os ajuda a compreender os resultados de seus cálculos.

Imagens tão precisas que mostram desgaste

A visualização 3D – um panorama medindo 4 metros de altura e 10 metros de diâmetro – é uma reprodução fiel do interior do tokamak de configuração variável (TCV) da EPFL, renderizado com detalhes tão impressionantes que rivaliza até mesmo com a experiência de jogo da melhor qualidade.

O reator experimental foi construído há mais de 30 anos e ainda é o único desse tipo no mundo.

“Usamos um robô para gerar varreduras de altíssima precisão do interior do reator, que então compilamos para produzir um modelo 3D que replica seus componentes até a textura”, diz Samy Mannane, cientista da computação da EM+.

“Conseguimos até capturar o desgaste nas telhas de grafite que revestem as paredes do reator, que estão sujeitas a temperaturas extremamente altas durante os testes do TCV.”

Os engenheiros do SPC forneceram equações para calcular exatamente como as partículas quânticas se movem em um determinado momento. Os pesquisadores do EM+ incorporaram então essas equações, juntamente com os dados do reator, em seu sistema de visualização 3D. O problema é que todos os cálculos devem ser realizados em tempo real.

“Para produzir apenas uma imagem, o sistema tem de calcular as trajetórias de milhares de partículas em movimento a uma velocidade de 60 vezes por segundo para cada olho”, diz Mannane.

Esse processamento robusto de números é realizado por cinco computadores com 2 GPUs cada que a EM+ adquiriu para este projeto. A saída dos computadores é alimentada nos cinco projetores 4K do panorama.

“Conseguimos construir nosso sistema graças aos avanços na tecnologia de infográficos”, diz Sarah Kenderdine, professora que dirige o EM+. “Teria sido impossível apenas cinco anos atrás.”

O resultado são imagens realistas de qualidade alucinante. É possível ver o dispositivo de injeção que deposita partículas no tokamak, bem como as telhas de grafite capazes de suportar temperaturas superiores a 100 milhões de graus Celsius.

E a escala de tudo isto é impressionante. Para dar uma ideia ao espectador, a visualização inclui a imagem de um ser humano – o reator tem aproximadamente o dobro do seu tamanho. À medida que a simulação aumenta, o espectador se sente muito pequeno enquanto milhares de partículas passam voando, girando, girando e perseguindo umas às outras.

Os elétrons estão em vermelho; os prótons estão em verde; e as linhas azuis indicam o campo magnético. Os usuários podem ajustar qualquer um dos parâmetros para visualizar uma parte específica do reator em um ângulo escolhido, com renderização quase perfeita.

O diretor do SPC, Paolo Ricci, explica: “As técnicas de visualização são bastante avançadas em astrofísica, em grande parte devido aos planetários. Mas na fusão nuclear, estamos apenas a começar a utilizar esta tecnologia – graças, nomeadamente, ao trabalho que estamos a realizar com o EM+.”

Aproveitando a excelência da SPC nesta área, a EPFL participa no projeto do Reator Termonuclear Experimental Internacional (ITER) e é um membro chave do consórcio EUROfusion.

Na verdade, a EPFL foi escolhida para albergar um dos cinco Centros de Computação Avançada do consórcio, proporcionando aos investigadores envolvidos neste projeto financiado pela UE uma ferramenta avançada para visualizar o seu trabalho.

Combinando produção e arte

Kenderdine diz que o maior desafio foi “extrair informações tangíveis de uma base de dados tão grande para produzir uma visualização que seja precisa, coerente e ‘real’ – mesmo que seja virtual.

“O resultado é extraordinário, e eu diria até lindo, e dá aos cientistas uma ferramenta útil que abre um leque de possibilidades”.

“A física por trás do processo de visualização é extremamente complicada”, diz Ricci.

“Os Tokamaks possuem muitas partes móveis diferentes: partículas com comportamento heterogêneo, campos magnéticos, ondas para aquecimento do plasma, partículas injetadas de fora, gases e muito mais.

“Até os físicos têm dificuldade em resolver tudo. A visualização desenvolvida pelo EM+ combina o resultado padrão de programas de simulação – basicamente, tabelas de números – com técnicas de visualização em tempo real que o laboratório utiliza para criar uma atmosfera semelhante à de um videojogo. “

Além do SPC e do EM+, três outros grupos da EPFL participam do Advanced Computing Hub: o Swiss Data Science Center, o Institute of Mathematics e a Scientific IT & Application Support Unit (SCITAS).

Este artigo foi publicado originalmente por EPFL.