A EPFL foi selecionada pelo consórcio EUROfusion para desenvolver um sistema de visualização avançado para um processo preliminar em fusão nuclear. O sistema é projetado para transformar resmas de dados de simulação e teste em gráficos em tempo real dignos dos videogames avançados de hoje.
Quando se trata de formas promissoras de energia, a fusão nuclear preenche todos os requisitos: é limpa, abundante, contínua e segura. Ela é produzida 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 forma controlada, são necessários enormes reatores na forma de anéis gigantes, que são preenchidos com ímãs para criar campos magnéticos onde 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 Laboratory for Experimental Museology (EM+) é especializado nessa 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 de visualização 3D imersiva. Para o público em geral, a visualização é uma jornada em um anel de fogos de artifício ilustrando uma possível fonte futura de energia; para cientistas, é uma ferramenta valiosa que torna os fenômenos complexos da física quântica tangíveis e os ajuda a compreender os resultados de seus cálculos.
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 em detalhes tão impressionantes que rivaliza até mesmo com a melhor experiência de jogo de qualidade. O reator experimental [CS1] foi construído há mais de 30 anos e ainda é o único do tipo no mundo. “Usamos um robô para gerar varreduras de ultra-alta precisão do interior do reator, que então compilamos para produzir um modelo 3D que replica seus componentes até a textura”, diz Samy Mannane, um cientista da computação na EM+. “Conseguimos até capturar o desgaste nas telhas de grafite que revestem as paredes do reator, que são 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 ponto no tempo. Os pesquisadores do EM+ então incorporaram essas equações, junto com os dados do reator, em seu sistema de visualização 3D. O problema é que todos os cálculos precisam ser realizados em tempo real. “Para produzir apenas uma única imagem, o sistema precisa calcular as trajetórias de milhares de partículas em movimento a uma velocidade de 60 vezes por segundo para cada olho”, diz Mannane. Essa pesada análise numérica é realizada por cinco computadores com 2 GPUs cada que o 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, a professora que lidera o EM+. “Teria sido impossível há apenas cinco anos.”
O resultado são imagens realistas de qualidade alucinante. Você pode ver o dispositivo de injeção que deposita partículas no tokamak, bem como os ladrilhos de grafite capazes de suportar temperaturas de mais de 100 milhões de graus Celsius. E a escala de tudo isso é impressionante. Para dar aos espectadores uma ideia, a visualização inclui uma imagem de um ser humano – o reator tem aproximadamente o dobro do tamanho deles. À medida que a simulação aumenta, o espectador se sente bem pequeno enquanto milhares de partículas passam rapidamente, girando, rodopiando 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 na astrofísica, em grande parte devido aos planetários. Mas na fusão nuclear, estamos apenas começando a usar essa tecnologia – graças principalmente ao trabalho que estamos fazendo com o EM+.” Com base na excelência do SPC nessa área, a EPFL está participando do projeto International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) e é um membro-chave do consórcio EUROfusion. Na verdade, a EPFL foi escolhida para abrigar um dos cinco Advanced Computing Hubs do consórcio, dando aos pesquisadores envolvidos neste projeto uma ferramenta avançada para visualizar seu trabalho.
Combinando produção e arte
Kenderdine diz que o maior desafio foi “extrair informações tangíveis de um banco 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 uma gama de possibilidades.”
“A física por trás do processo de visualização é extremamente complicada”, diz Ricci. “Tokamaks têm muitas partes móveis diferentes: partículas com comportamento heterogêneo, campos magnéticos, ondas para aquecer o plasma, partículas injetadas de fora, gases e muito mais. Até mesmo os físicos têm dificuldade em separar tudo. A visualização desenvolvida pela EM+ combina a saída padrão de programas de simulação – basicamente, tabelas de números – com técnicas de visualização em tempo real que o laboratório usa para criar uma atmosfera semelhante à de um videogame.”
Além do SPC e do EM+, outros três grupos da EPFL estão participando do Advanced Computing Hub: o Swiss Data Science Center, o Institute of Mathematics e a Scientific IT & Application Support Unit (SCITAS).
Paolo Ricci assumiu como diretor do Swiss Plasma Center (SPC) da EPFL em 1º de junho de 2024, sucedendo Ambrogio Fasoli. Ricci, professor de física na EPFL, ganhou vários prêmios por excelência em ensino e ocupa a Cátedra de Teoria do SPC. Apoiado por 18 anos de experiência na EPFL, ele agora lidera um dos mais prestigiados centros de pesquisa em física de plasma da Europa.
