Technologien
Simulierte Welten - Auf dem Weg zur kalkulierbaren Realität
Die Idee, real schwer zu untersuchende Vorgänge mithilfe von Computersimulationen vorauszuberechnen, ist freilich alles andere als neu. Eine der ersten Computersimulationen, das sogenannte Fermi-Pasta-Ulam-Experiment, beschäftigte sich mit dem Schwingungsverhalten komplexer Systeme und bestätigte bereits im Jahr 1953 den besonderen Wert computergestützter Experimentalanordnungen.
Vorteile von Computersimulationen
Die Gründe für die immer weiter steigende Zahl von Computersimulationen und die im Vergleich geringer werdende Zahl klassischer Analyse- und Experimentverfahren liegen auf der Hand. Der Computer hilft überall dort weiter, wo klassische Herangehensweisen nicht machbar, zu teuer oder zu zeitintensiv wären. Während finanzielle Beschränkungen offensichtlich sind, sind die Grenzen theoretischer Analyse oder klassischer experimenteller Verfahren im Hinblick auf die Machbarkeit oder den Faktor Zeit sehr vielfältig.
Eines der grundlegenden Probleme klassischer Analyseverfahren ist die Tatsache, dass die Betrachtung möglichst realitätsnaher Modelle zwangsläufig zu einer Vielzahl von Variablen führt. Auch Fallstudien mit einem "Was wäre wenn?" in der Fragestellung sind von Computersimulationen abhängig, will man nicht nur in wahrsagerischen Oberflächlichkeiten bleiben. Dem Klimawandel, einer der drängendsten Fragen unserer Zeit, kann man sich nur mit computergestützten Simulationsverfahren nähern.
Physikalische oder chemische Phänomene geschehen auf atomarer bzw. molekularer Ebene nicht in direkt beobachtbaren Prozessen. Keine Messtechnik der Welt ist in der Lage, Prozessabläufe auf der Nano-Ebene abzubilden. Andererseits führt der Forscherdrang bisweilen auf Gebiete, die mit unserem realen Zeitablauf nicht in Einklang zu bringen sind, so zum Beispiel astrophysische Phänomene. Eines der wichtigsten Einsatzszenarien von Computersimulationen umfasst alle Phänomene mit hohem Gefahrenpotenzial. Crashtests sind ein Beispiel dafür. Eine immer größere Rolle spielen Simulationen aber auch in der Medizin, wo sich ein "trial and error" direkt am Menschen dementsprechend verbietet.
Supercomputer als Simulationsplattform
Die Basis für den zunehmenden Stellenwert, aber auch den zunehmenden Erfolg von Computersimulationen ist die immer größer werdende Zahl und Leistungsfähigkeit von Supercomputern. Ein perfektes Beispiel für Hochleistungscomputer als Instrument der Wissenschaften ist der sogenannte Earth Simulator in Yokohama (Japan), bei seiner Inbetriebnahme 2002 mit seinen über 5.000 Prozessoren und 2.300 Festplatten der schnellste Rechner der Welt. Die gewaltige Rechenpower wird zum größten Teil für die Berechnung und Vorhersage des zukünftigen Weltklimas genutzt.
Der Earth Simulator wird aber auch Forschern anderer Disziplinen zur Verfügung gestellt. Amerikanische Wissenschaftler der Universität von Kalifornien konnten bei ihrer Modellierung der Galaxienentwicklung ebenso auf den Earth Simulator bauen wie ein Team aus Wissenschaftlern der Physikalischen Chemie der Technischen Universität Dresden. Dieses nutzte die Rechenleistung des Earth Simulators in den letzten Jahren zur Simulation der Rahmenbedingungen für einen neuartigen Festkörperspeicher für Wasserstoff.
Supercomputer in Sachsen
Mittlerweile sind die Forscher der TU Dresden nicht mehr auf den Supercomputer in Japan angewiesen. Die TU Dresden verfügt mit dem Altix 4700 1.6 GHz des kalifornischen Computerherstellers SGI und mit dem System Deimos mit AMD-Opteron-Prozessoren über zwei der 100 schnellsten Supercomputersysteme der Welt - und den schnellsten Hochleistungsrechner der neuen Bundesländer. Der im April dieses Jahres eingeweihte Hochleistungsrechner- und Speicherkomplex am Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen (ZIH) der TUD soll zum Beispiel Computersimulationen der Werkstoffwissenschaftler im Nanobereich, strömungstechnischen Berechnungen im Maschinenwesen oder der Erforschung der Kommunikation zwischen Proteinen in der Bioinformatik dienen.
Ebenso wie die beiden vom Freistaat Sachsen finanzierten Supercomputer in Dresden ergänzt der im Februar 2007 offiziell an die Nutzer der Technischen Universität Chemnitz übergebene Hochleistungs-Linux-Cluster CHiC mit der gewaltigen Rechenleistung von mehr als 8 Terraflops, dem in etwa 1000-fachen eines aktuellen PCs, die mittlerweile hervorragende Forschungsinfrastruktur in Sachsen. Sämtliche Fakultäten der TU sollen von Computersimulationen auf dem ChiC, modellhaften Darstellungen oder Berechnungen in direktem Bezug zu Problemen, Prozessen oder Systemen, profitieren können.
Praktische Einsatzfelder für den Chemnitzer Supercomputer mit seinen 2.152 Rechenkernen sowie 60-TeraByte Festplattenspeicher ließen freilich nicht lang auf sich warten. Für die Entwicklung, den Bau und den Betrieb des deutschlandweit ersten Kurzzeit-Großkältespeichers in Chemnitz, einer Entwicklung der Stadtwerke und der Technischen Universität Chemnitz, waren umfangreiche Modellrechnungen notwendig. Die Computersimulation ebnete den Weg für den erfolgreichen Betrieb seit Ende Juni 2007. Die Berechnung von Strömungsverhältnissen und Thermodynamik der 3.500 m³ Wasser des Kältespeichers wären ohne Großrechner-gestützte Simulationen nicht möglich gewesen.
Virtual Reality - die andere Seite der Simulation
Modellhafte, computerbasierte Berechnungen in direktem Bezug zu realen Problemen, Prozessen oder Systemen. Die Verlagerung der Wirklichkeit oder kleinerer Teile dieser Wirklichkeit in berechenbare Umgebungen. Computer geben die Antwort, auf vom Menschen gestellte Fragen. So oder so ähnlich lassen sich die Forschungsleistungen mithilfe der Supercomputer zusammenfassen.
Dieses Prinzip lässt sich jedoch auch umkehren und so wird es abermals unter dem Namen Computersimulation zu einem wichtigen Werkzeug. Die Erschaffung von computergenerierten, interaktiven, virtuellen Umgebungen, in der der Mensch agiert, lernt oder Fragen beantwortet. Dabei spielt es eine untergeordnete Rolle, ob die dargestellte Wirklichkeit der existierenden entspricht, oder ob sie vergangene oder zukünftige Visionen beinhaltet.
Rome Reborn, die nach Angaben der Macher "größte Computersimulation der Welt", simuliert beispielsweise das antike Rom im vierten Jahrhundert n. Chr. Mit der Nachbildung von über 7.000 Gebäuden der antiken Metropole soll der Geist des alten Roms wiederbelebt und in die heutige Zeit hineingetragen werden. Bislang ist die gigantische Simulation lediglich auf Bildern und Videos zu betrachtet, das Team arbeitet aber bereits an einer Internetversion. Das Beispiel lässt erahnen, welche Möglichkeiten die Darstellung tatsächlich nicht oder nicht mehr existierender Realitäten bietet. Mehr als nur optischer Eindruck, ermöglichen solche Simulationen ein wirkliches Nachempfinden vergangener oder verlorener Welten.
Ein Beispiel für virtuelle Realitäten in der Wissenschaft sind 3-D-Körpermodelle in der Medizin. Einerseits unterstützen sie die realitätsnahe medizinische Ausbildung. Andererseits ermöglichte die Verknüpfung von bildgebendem Verfahren und deren räumlicher Darstellung wie beispielsweise bei der Computertomographie eine ganz neue Qualität der Diagnose und der Behandlung.
Ein Beispiel für das wirtschaftliche Potenzial von virtuellen Realitäten zeigt abermals die TU Chemnitz. Wissenschaftler des "Virtual Reality Center Production Engineering" an der Professur für Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik entwickelten "moVE", eine kompakte Anlage für Produktpräsentationen in der virtuellen Realität. Die aus zwei Notebooks und zwei Beamern bestehende Anlage ermöglicht beispielsweise die simulierte Darstellung von Prototypen an ihrem zukünftigen Einsatzort oder die Planung von Fabrikhallen und Produktionsprozessen. Im Gegensatz zu üblichen Virtual-Reality-Laboren ist die Entwicklung der Chemnitzer Wissenschaftler mobil, flexibel und kosteneffizient.
Die bekanntesten Beispiele dieser künstlich generierten und dargestellten Welten haben mit Forschung und Wissenschaft höchstens am Rande zu tun: Sei es in Gestalt des Internet-Paralleluniversums "Second Life" (eine von ihren Nutzern gestaltete Interaktionsplattform mit der Möglichkeit, sich frei innerhalb einer künstlichen Welt zu bewegen, mit anderen zu spielen, zu handeln oder zu kommunizieren) oder sei es in Form vielfältiger Simulationen, die sich auf dem heimischen PC installieren lassen: Vom 3-D-Garten- oder Küchenplaner, über die "Spielsimulation" beängstigend realistischer Panzer-Schlachten bis hin zum realitätsnahen Flugsimulator.
Auf dem Weg zur berechenbaren Wirklichkeit?
Die simple Recherche mit dem Begriff Computersimulation führt auf gängigen Suchmaschinen zu weit über 10 Millionen Treffern. Das Ergebnis zeugt von immer schmaler werdenden Grenzen zwischen Realität und Virtualität, von Simulation zu wirklichem Leben. Rechnergestützte Simulationen lassen neue und alte Welten entstehen, ebnen Wege, beantworten Fragen, informieren oder unterhalten. Computersimulationen sind eben nicht mehr nur ein Phänomen industrieller oder wissenschaftlicher Forschung, sondern allgegenwärtiger Teil unseres Alltags. Der Wert von Computersimulationen für die Forschung ist dennoch unbestritten, und dürfte weiter steigen. Die Bandbreite der Disziplinen, die den Großteil ihrer Fortschritte mittlerweile Computersimulationen verdankt, ist kaum mehr zu überblicken. Die Annäherung an viele komplexe Forschungsgegenstände, viele drängende Probleme unserer Zeit, ist ohne den Einsatz von Computersimulationen einfach nicht mehr denkbar.
Eine kritische Anmerkung muss sich aber jede Simulation gefallen lassen. Die Frage, wie weit produziertes Ergebnis und Realität auseinanderliegen, kann mitunter erst in weiter Zukunft, mitunter nie beantwortet werden. Die immer weiter steigende Zahl an Simulationsplattformen und -computern und immer komplexer werdenden Modelle haben jedoch alle eines zum Ziel - den Abstand zwischen Realität und Computersimulationen immer weiter zu verringern.
( / Quelle: saxxess.com)
