Was jahrzehntelang nur berechnete, ob eure Kugel in Egoshootern das Ziel trifft, beschleunigt jetzt die Simulation von Fusionsreaktoren um das 15-Fache

Der Weg zu einem erfolgreichen Fusionsreaktor beginnt im Computer – und dort sind Simulationen unverzichtbar für die perfekte Feinjustierung. Hierbei kann Programmcode aus Shootern helfen. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

In gezündeten Fusionsreaktoren tummeln sich Milliarden von Teilchen. Geordnet erzeugen sie das ultimative Feuer des Universums: Kernfusion.

Doch schon Jahre vor dem ersten Plasmafeuer sorgt dieses Chaos für Kopfzerbrechen. Schon am virtuellen Reizbrett zu verstehen, was nach Drücken des Start-Knopfes im Innersten der Anlage geschieht, ist deshalb unabdinglich.

Auftritt: Computer-Simulationen, ihr Ziel: eines Tages die Urkraft des Herzens der Sonne auf Erden zu bändigen.

Dank eines neuartigen Programmes sind wir dem Durchbruch einen Schritt nähergekommen. Fans von Shootern kennen die Zeilen an Code dahinter nur zu gut. Der Algorithmus ermittelt seit Jahrzehnten, ob ihr eure Gegner in Videospielen trefft oder nicht.

Bei diesem Artikel handelt es sich um Archiv-Content, den wir für euch noch einmal neu hochgezogen haben.

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Simulationen, um es der Sonne gleichzutun

Ein Team südkoreanischer Forschender entwickelte eine neue Software, die 15-mal schneller als zuvor ermöglicht, die Flugbahnen und somit auch Kollisionspunkte von Teilchen in Reaktorkammern am PC zu ermitteln.

Mit den Simulationen soll ein Kernproblem von Fusionsreaktoren angegangen werden: Kollisionen von Materie mit den Wänden der Reaktionskammer müssen zwingend vermieden werden. Das stört nicht nur die Fusion, sondern kann auch den Reaktor beschädigen.

Alle Grundlagen zur Kernfusion, inklusive der gängigen Verfahren schildern wir euch in einem großen Special an dieser Stelle.

Um eine Fusion zu zünden, müssen die Ingenieure aber extrem viele Teilchen mit hoher Geschwindigkeit ins Innere feuern. Denn zur Erhitzung des Plasmas in den donutförmigen Kammern kommen hochenergetische Strahlen aus Neutronen zum Einsatz.

Sie heizen die Mischung buchstäblich auf, damit es zur Fusion kommen kann. Beim Entwurf eines Reaktors muss deshalb frühzeitig – und bei jeder Änderung der Technik – simuliert werden, ob Teilchen auf Irrwegen vom Ziel abkommen.

Es geht einfacher – vergessen wir mal die meisten Partikel

Normalerweise setzt die Forschung in solchen Fällen auf Simulationen aller Partikel über ihren ganzen Weg hinweg.

300.000 einzelne Objekte, die auf Kontakt mit Wänden aus mehr als 70.000 Dreiecken untersucht werden, kurzum: eine rechenaufwendige, energieintensive und vor allem langwierige Aufgabe.

Der neue Code kombiniert verschiedene in der Gaming-Industrie designte Verfahren. Sie werden in Shootern dazu verwendet, effizient und vor allem innerhalb kürzester Zeitspannen festzustellen, ob abgefeuerte virtuelle Kugeln ihr Ziel oder ein Objekt in der Umgebung treffen.

Jedes Geschoss in Shootern, wie hier Call of Duty Black Ops 6, will simuliert werden – von der Mündung bis zum Einschlagsort. Dafür setzen Entwickler auf clevere Algorithmen.

Der Trick:

Es werden möglichst frühzeitig Partikel und Räume ausgeschlossen, die so oder so bei Abweichungen nicht infrage kommen. Von da an ignoriert die Software den weiteren Weg.
So fallen laut den Wissenschaftlern 99,9 Prozent aller Berechnungen von vornherein weg und das Verfahren beschleunige sich um den Faktor 15 (via unist).
Aufgrund der ursprünglichen Verwendung in 3D-Spielen eignet sich die neue Softwareumgebung auch exzellent, um im Inneren der virtuellen Fusionsreaktoren korrekte Ergebnisse zu ermitteln - selbst wenn diese gewunden daherkommen, wie im Falle von Stellaratoren (siehe Aufklapp-Box).

Als nächste Schritte, um die Geschwindigkeit weiter zu erhöhen, möchte das Team ihren Programmcode weiterentwickeln, damit er auch auf den Rechenkernen moderner Grafikkarten ausführbar wird.

Diese eignen sich von Haus aus besser, um Simulationen von physikalischen Prozessen in dreidimensionalen Räumen vorzunehmen. Aktuell läuft die Technik auf klassischen CPUs.

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Entwickelt und getestet wurde die Software an der 3D-Computersimulation des Korean Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR). Der sogenannte virtuelle KSTAR ist ein digitaler Zwilling.

Soll heißen: Für jedes real existierende Bauteil existiert in der Softwareumgebung ein exakt identisches Gegenstück.

Solche frei dreh- und zoombaren Umgebungen gelten als der Goldstandard zur Entwicklung und Baubegleitung von Anlagen, Schiffen oder Flugzeugen. Denn so können Ingenieure den genauest-möglichen Eindruck am Bildschirm gewinnen - und Vorgänge aller Art simulieren.

Fazit der Redaktion

Gerald Weßel: Um wirklich in den kommenden Jahrzehnten Strom durch Kernfusion aus der Steckdose zu ziehen, müssen viele Dinge zusammenkommen.

So fasst Astrophysiker Josef M. Gaßner zuletzt einige der gängigsten Mythen zusammen und kommt eher zu einem pessimistischen Fazit. Zu Recht, aus meiner Sicht.

Die Herausforderungen, die uns von einem echten Kraftwerk am Netz trennen, sind gewaltig. Andere sind da aber gelinde optimistischer: In München arbeiten Ingenieure an einem Stellarator, der in den 2030ern ans Netz gehen soll.

Wir haben hier ein gewaltiges Puzzle vor uns: Weltweit wird an Hunderten verschiedenen Bruchstücken geforscht. Die neuen Algorithmen stehen für eines.

Nur dank vieler solcher kleinen Schritte hin zur Zukunft der Energieversorgung dürfen wir hoffen: Vielleicht schaffen wir es ja doch früher als mancher Skeptiker - wie ich - unkt, die Kraft des Herzens der Sonne für uns zu nutzen.