Universitätenforum Alpbach: Forschung im Zeitalter der Supercomputer

25. August 2009, 15:00
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"Scientific Computing and Engineering" Thema des Universitätenforums

Die Wissenschaft ist auf die IT gekommen: Längst können Forscher nicht mehr auf leistungsstarke Superrechner verzichten. Ob Astrophysik, Pharmazie oder Bauingenieurwissenschaften - Computersimulationen ersetzen vielfach bereits Laborexperimente, immer schnellere Grafikprozessoren ermöglichen spektakuläre Visualisierungen. Nicht umsonst ist "Scientific Computing and Engineering" auch Thema des diesjährigen Universitätenforums in Alpbach morgen, Mittwoch (26. August).

"Leo II"

An der Universität Innsbruck ist seit Mai dieses Jahres ein solcher Superrechner rund um die Uhr im Einsatz. "Leo II" ist Dreh- und Angelpunkt der interdisziplinären Forschungsplattform "Scientific Computing", an der insgesamt 29 Institute und Arbeitsgruppen aus zehn Fakultäten beteiligt sind. Koordiniert wird die Plattform mit den drei Schwerpunkten "Computational Engineering", "Hochleistungsrechnen" und "Informatik" von der Astrophysikerin Sabine Schindler.

"Der Stellenwert des Themas wird immer größer. Viele Bereiche nehmen diese zusätzliche Expertise in Anspruch, statt Experimente aufzubauen", erklärte Schindler im Gespräch mit der APA. Es gehe darum, Modelle so realistisch wie möglich zu machen und dabei Zeit und Geld zu sparen: "Laborexperimente kann man nie vollständig ersetzen, aber mit dem Rechner kann man ganz schnell ganz viele Experimente machen."

Ob Enzyme an einem bestimmten Virus überhaupt andocken können oder nicht

Einige Beispiele aus der Forschungsplattform zeigen die Bandbreite der virtuellen Möglichkeiten: So testet eine Pharmazie-Arbeitsgruppe in einem Rechenmodell, ob Enzyme an einem bestimmten Virus überhaupt andocken können oder nicht. Damit entfällt bereits eine Reihe langwieriger Laborversuche "auf gut Glück". In einem Projekt am Institut für Mathematik wird bei Videos der optische Fluss einzelner Pixel analysiert. Spezielle Kamerasysteme in Autos sollen so künftig erkennen, wenn ein Kind im Begriff ist, auf die Straße zu laufen und den Fahrer rechtzeitig warnen. "Das Neue daran ist, das man nun alles in Echtzeit berechnen kann", erklärt Schindler einen wesentlichen Vorteil von mehr Rechen-Power.

Besonders bei kostenintensiven Forschungsprojekten wie der Entwicklung von Sicherheitshüllen von Kernreaktoren lässt sich durch Computersimulationen im Vorfeld die Konstruktion optimieren. Genau daran arbeiten Forscher der Fakultät für Bauingenieurwissenschaften. Für die Simulation eines Reaktorsicherheitsbehälters musste ein Gleichungssystem mit 875.000 Unbekannten insgesamt mehr als zehntausend Mal aufgestellt und gelöst werden. Solche Berechnungen laufen oft über mehrere Tage, aber auch wochenlang.

Hochleistungsrechner erlauben es, immer bessere Prognosemodelle und Simulationen durchzuführen. Eine der wesentlichen Leistungen des Scientific Computing ist es, aus diesen Zahlenkolonnen ein dreidimensionales Bild zu generieren, sagt Schindler: "Die Visualisierung ist ein ganz wichtiger Punkt, diese riesigen Datenkolonnen für das Auge verdaubar zu machen". Fortschritte in dieser Richtung verdanken die Wissenschafter dem anhaltenden Boom in der Computerspielindustrie, der laufend verbesserte Grafikprozessoren hervorbringt.

Kernspintomographie eines Kopfes

Innsbrucker Mathematiker sind dadurch etwa in der Lage, aufgrund von Daten der Kernspintomographie eines Kopfes bei der Erkennung von Tumoren zu helfen. "Denn es werden nicht nur einzelne Scheiben, sondern 3-D-Bilder erzeugt und das Strömungsverhalten im Gehirn anhand von Lymphen visualisiert", so Schindler. Selbst beim Aufspüren von Lawinenopfern können Computermodelle in Echtzeit die menschlichen Sinne unterstützen. Dabei soll vom Hubschrauber aus per Radar das Reflexionsverhalten von Schnee mit Hilfe von optischen Algorithmen analysiert und mit vorhandenen Bildern abgeglichen werden.

Vom einmal erworbenen Know-how profitieren beim Scientific Computing oft ganz unterschiedliche Fachbereiche. Schindler, selbst Astrophysikerin und Präsidentin der österreichischen Gesellschaft für Astronomie und Astrophysik, zieht als Beispiel Parallelen zwischen kosmischen und irdischen Gesetzen heran: "Wir verwenden bei Galaxien die gleichen Codes wie Meteorologen in der Hydrodynamik."

Der thematische Bogen zum diesjährigen Forum Alpbach ("Vertrauen") spannt sich für Schindler in einem speziellen Aspekt zu ihrer eigenen Forschungsarbeit hin: "Unsere Modelle sind sehr viel vertrauenswürdiger geworden, man kann so viel mehr Physik mit reinstecken als bisher. Den Einschlag eines Asteroiden können wir jetzt viel genauer vorhersagen. Früher mussten wir das von Hand berechnen, da kann das Ganze schon nach einem Jahr wieder hinfällig sein."(APA)

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