Računalniške komponente, ki so del Simulatorja Zemlje.Pred manj kot mesecem dni, natančneje, 10. novembra 2003, je državni sekretar ameriškega Ministrstva za energijo (Department of Energy – DOE) Spencer Abraham na novinarski konferenci javnosti predstavil prioritetno listo velikih projektov, ki jih bo DOE financiral v prihodnjih dvajsetih letih. Prioritetna lista s pompoznim imenom Facilities for the future of Science (naprave za prihodnost naravoslovnih znanosti) ponuja lepo priložnost, da si ogledamo kaj bodo pomembni izzivi v naravoslovnih znanostih v naslednjih dvajset letih. Komisija 118 članov iz različnih naravoslovnih disciplin je izbrala 53 velikih projektov, ki jih je priporočila DOE.
Vendar pa si je le 28 projektov izmed tih 53 prislužilo oznako “velike znanstvene vrednosti” (kar verjetno tudi pomeni, da bodo financirali do leta 2023 le teh 28 velikih projektov). Nadaljnja razvrstitev je potekala po tem, kako kmalu bi lahko projekte uresničili oz. kako pomembni so po mnenju DOE. Pa si poglejmo to razvrstitev za programe, ki so uresničljivi v bližnji prihodnosti:
Shema eksperimenta ITER. Lepo vidni so superprevodni magneti.
- Na prvem mestu je pristala ITER. To je mednarodna kolaboracija, ki namerava zgraditi prvi eksperiment, v katerem bi jedrska fuzija potekala samozadostno (to je, zlivanje jeder bi proizvedlo vsaj toliko energije, kot je potrebno za vzdrževanje plazme). Ker je to prvi korak k razvoju elektrarn na fuzijo, pravzaprav ne čudi, da ITER vodi na lestvici DOE. Računalniške simulacije kažejo, da bi lahko na ITER vzdrževali jedrsko fuzijo v “goreči plazmi” tudi po nekaj minut in sicer pri močeh okoli 500MW (kar je primerljivo z našo jedrsko elektrarno Krško, saj ima le ta izhodno moč okoli 670MW in toplotno moč reaktorja okoli 2000MW ). V bistvu je razvoj elektrarn na fuzijo potekal vse od začetkov jedrske tehnologije. Do sedaj je bilo ravno vzdrževanje plazme z dovolj veliko gostoto v dovolj dolgih časovnih intervalih največji problem, da jedrske elektrarne na fuzijo še niso gospodarne (porabijo več energije, kot je proizvedejo). Najpomembnejša prednost fuzijskih elektrarn pred običajnimi jedrskimi elektrarnami je, da so nasprotno kot običajne jedrske elektrarne, kjer poteka razpadanje jeder, fuzijske elektrarne za okolje povsem nenevarne. Ne proizvajajo namreč nikakršnih dolgoživih radioaktivnih odpadkov, saj poteka tukaj zlivanje lahkih jeder.
- Razvoj računalniškega sistema zelo velikih zmogljivosti (Ultrascale Scientific Computing Capability ali s kratico USSCC) bo superračunalniški sistem, kjer bodo superračunalnike postavili na več lokacijah. Glavni namen je v bistvu povrniti ZDA vodstvo na področju superračunalnikov gigantskih zmogljivosti, saj trenutno vodi Japonska z Simulatorjem Zemlje (Earth Simulator), ki zmore 40 teraflopov (to je 40×1015 računskih operacij na sekundo). Uporaba tega računalniškega supersistema je seveda klasična, t.j. izračunavanje problemov v kompleksnih sistemih npr v kemiji, napovedovanje vremena in klimatskih sprememb…
- Na tretjem mestu so se zvrstili kar štirje projekti:
- Skupni projekt NASA-DOE za raziskovanje temne energije (Joint Dark Energy Mission – JDEM) je eksperiment, ki bo s satelita ponovil merjenja eksplozij supernov tipa Ia, ki so pripeljala do popolnega obrata v našem razumevanju strukture vesolja (Skrivnost temne snovi v vesolju). Merjenja eksplozij supernov energije vesolja predstavlja temna energija (pred leti so kozmologi navadno ta prispevek parametrizirali v obliki tako imenovane kozmološke konstante, ker pa ima tovrsten prispevek k energiji vesolja lahko tudi dinamičen vzrok, se raje uporablja termin temna energija). Seveda ni potrebno posebej poudarjati, da pri meritvah s teleskopom na satelitu iznad Zemeljskega ozračja odpadejo marsikatere sistematske napake, ki jih povzroči pri opazovanjih s teleskopi ravno prisotnost ozračja (migotanje…).
Shema LCLSIzvor koherentne svetlobe Linac (LCLS) je rentgenski laser, ki bo za deset velikostnih redov (!) povečal svetlost obstoječih izvorov rentgenske svetlobe. Glavno področje uporabe bodo raziskave materialov in kemijskih reakcij. Tako na primer ne bo več potrebna kristalizacija proteinov za raziskovanje njihove prostorske strukture (kristalizacija pravzaprav sploh ni mogoča za vse proteine), prav tako pa bodo sunki svetlobe zelo kratki, le nekaj deset femtosekund, kar bo omogočalo raziskave hitrih procesov (npr. kemijskih reakcij). na kozmoloških razdaljah s teleskopi na Zemlji namreč kažejo, da okoli 70% - Izdelovanje proteinov in njihovo označevanje: namen tega projekta je izdelati povsem avtomatiziran proces za množično izdelavo proteinov in njihovo kemijsko označevanje.
- Pospeševalnik redkih izotopov (RIA) bo, kot govori že njegovo ime, linearni pospeševalnik namenjen odkrivanju in raziskovanju novih redkih izotopov. Morebitna uporaba izsledkov bo v modeliranju eksplozij jedrskih orožij in v jedrski medicini.
- Na sedmem mestu se zvrsti pet naslednjih projektov:
- Karakterizacija in vizualizacija molekularnih strojev bo nadaljevala delo projekta “Izdelovanje proteinov in njihovo označevanje”, in sicer bo omogočila raziskovalcem, da bodo lahko izolirali, karakterizirali in naredili slike več tisoč molekularnih strojev, ki opravljajo pomembne funkcije znotraj celic organizmov.
Shema predlaganih izboljšav na CEBAFu.Povečanje energije eksperimenta CEBAF pri Thomas Jefferson Laboratory na 12 GeV. Elektronski pospeševalnik CEBAF s kontinuiranim žarkom uporabljajo za raziskave strukture protonov in nevtronov, med drugim tudi za boljše razumevanje dejstva, da so kvarki vedno vezani v protonih in nevtronih in jih nikoli ne vidimo proste.- Izboljšanje ESnet oz. mreže energijskih znanosti je projekt s katerim bodo izboljšali računalniško povezanost raziskovalcev in inštitucij, ki jih financira DOE.
- Povečanje zmogljivosti Nacionalnega znanstveno-raziskovalnega računskega centra (NERSC), predvsem prehod na grid tehnologijo, je zopet eden od projektov, ki naj zagotovijo dovolj velike računalniške zmogljivosti za potrebe ameriške znanosti.
- Elektronski transmisijski akromatični mikroskop (Transmission Electron Achromatic Microscope – TEAM) bo prvi v novi generaciji elektronskih mikroskopov s katerim bodo odpravili sedanje težave pri aberacijah slike (popačitvah slike) ter tako močno izboljšali tako resolucijo slik, kot tudi omogočili delo na večjih vzorcih materialov.
- BTeV (kar je kratica za B-fiziko na Tevatronu) je eksperiment pri katerem bodo uporabili protonsko-antiprotonski trkalnik Tevatron v Fermilabu za precizne eksperimente z B mezoni. Poskusi na tovarnah B mezonov, BaBar v ZDA in Belle na Japonskem, so namreč potrdili, da kršitve simetrije CP v teh razpadih lahko popišemo v okviru standardnega modela osnovnih delcev in interakcij med njimi. A vendar so tudi razkrile nekaj indicev za sledmi nove fizike, to je fizike, ki je ne moremo razložiti le s standardnim modelom. BTev bi nadgradil program tovarn B mezonov, ki se bo v približno petih letih iztekel.
Shema detektorja BTeV.S temi dvanajstimi projekti se je zaključil spisek projektov, ki naj bi se začeli v bližnji prihodnosti. Spisek se nato nadaljuje s srednjeročnimi projekti, ki ga odpre linearni trkalnik (Razprava glede pomembnosti tega objekta, je v visokoenergijski fiziki še posebno vroča. Trenutno namreč gradijo Veliki hadronski trkalnik – LHC v CERNu, v Ženevi. Linearni trkalnik, ki bi delal na primerljivih energijah kot LHC, pa bi po drugi strani ponudil veliko preciznejše meritve). Nato pa si sledijo: analiza in modeliranje celičnih sistemov, izboljšanje spalacijskega nevtronskega izvora, izgradnja druge tarče na spalacijskem nevtronskem izvoru, kompletna proteomska analiza, podzemni detektor dvojnega beta razpada (tu gre za iskanje izvora mase nevtrinov), sferični torus naslednje generacije (raziskave fuzije), RHIC II (raziskovanje kvarkovsko-gluonske plazme, oz. raziskovanje prajuhe delcev pri prapoku). Spisek nato zaključijo dolgoročni projekti: prenova nacionalnega izvora sinhrotronske svetlobe, nevtrinski superžarek, prenova izpopolnjenega izvora svetlobe.
Ob gornjem spisku je seveda pomembno imeti pred očmi, da le ta nikakor ne ponuja popolne slike tega, kar se bo v naravoslovju dogajalo na ameriških tleh, saj so tu še projekti, ki jih bodo financirale NASA, National Science Foundation… Prav tako tudi velja, da gre tu le za Ameriške projekte, niti besede pa ni o znanstvenih projektih na evropskih tleh (razen na kratko omenjenega gigantskega projekta LHC), na Japonskem, Kitajskem, v Rusiji in v Indiji. Prav tako je spisek nedvomno nekoliko bolj usmerjen v energetske vode. Vendar pa vseeno daje prav dobro sliko, katere velike znanstvene projekte bodo s precejšnjo gotovostjo ZDA uresničile v prihajajočih 20 letih.
(Jure Zupan, kvarkadabra.net – št. ?, december 2003)
