Co se stane p²i sráºce ƒern∞ch d╪r? Není-li moºné provést pokus, sahají v╪dci k poƒítaƒové simulaci. Dosud nep²ekonatelné hranice padají a otevírají se nové oblasti v╪d╪ní. Uºitek z toho vτak mají i p²edm╪ty denní pot²eby.
Cesty do neznáma
"Bez poƒítaƒové simulace bychom nikdy nedokázali zkonstruovat inkoustovou tiskárnu," p²iznává Ross R. Allen, vedoucí projektu a nestor v∞zkumníkà z laborato²í spoleƒnosti Hewlett-Packard v Palo Altu. Na otázku, zda by tent∞º úkol nesplnily prototypy, zamítav╪ kroutí hlavou: "To se ukázalo jako nemoºné. Pro konstrukci nové tiskové techniky chyb╪ly technikàm základní v╪domosti."
Uº v letech 1981 aº 1983 pracoval chemik Ross R. Allen na softwaru, kter∞ simuluje maliƒké inkoustové kapky. Cht╪l zjistit, co se stane, kdyº kapalina vyst²ikuje z trysky a dostává se do styku se vzduchem, a jaké síly pàsobí na kapku po dopadu na papír. Simulaƒní software psal pro tehdejτí vysoce v∞konn∞ poƒítaƒ Vax.
Cel∞ t∞den se stroj pot∞kal s 10 000 ²ádky fortranského programu. Nakonec poƒítaƒ opravdu znázornil, co se v rozhodujících 100 mikrosekundách s kapkou inkoustu stane. Teprve pak, kdyº v╪dci odvodili optimální tvar inkoustové patrony a trysky, mohli technici tiskárnu sestrojit.
Allen pro tuto simulaci vytvo²il komplexní programov∞ systém, do n╪hoº zahrnul veτkeré poznatky moderní fyziky o vlastnostech kapalin. V∞sledek ƒinnosti poƒítaƒového programu tehdy fascinoval dokonce i autora samého. To, jak se kapka inkoustu v dané situaci zachová a jak∞ tvar zaujme, dosud nikdo z v╪dcà nev╪d╪l.
P²em╪na k²emíku na kov
P²edpoklady pro prakticky pouºitelnou poƒítaƒovou simulaci vytvá²ejí v╪dci za pomoci modelà, které b╪hem mnohaleté práce stále vylepτují. To, co se poda²ilo Dr. Allenovi v 80. letech s inkoustovou kapkou, dokázal profesor Michele Parrinello v p²ípad╪ k²emíku.
Tento sicilsk∞ rodák vyvinul spoleƒn╪ se sv∞m kolegou Robertem Carem na univerzit╪ v Terstu poƒítaƒovou simulaci atomà. Z tohoto úkolu se nakonec stalo jeho celoºivotní dílo a program pod oznaƒením "Car-Parrinello Molecular Dynamics" se rozτí²il nejenom na univerzitách a ve v∞zkumn∞ch centrech. Parrinello dnes pracuje ve stuttgartském Institutu Maxe Plancka pro v∞zkum pevn∞ch látek, kde spoleƒn╪ se sv∞m t∞mem uº 15 let zdokonaluje systém na stále nov∞ch úlohách. Jeho kolega Car dnes pracuje v ªenev╪, mnoho dalτích v╪dcà software pouºívá a p²ispívá k jeho dalτímu rozvoji.
Parrinello se zprvu zab∞val k²emíkem. P²i extrémním zah²átí se tento prvek m╪ní ve vodiv∞ kov. Tento poznatek, uºiteƒn∞ pro v∞voj poƒítaƒov∞ch ƒipà, získali Car a Parrinello na základ╪ poƒítaƒové simulace jednotliv∞ch atomà. Jeho software od té doby vyuºívají v╪dci v chemick∞ch v∞zkumn∞ch ústavech a v pràmyslu, jako t²eba ve firmách BASF nebo Hoechst, i pro jiné látky.
Jestliºe chcete nap²íklad vyráb╪t polymery, tedy um╪lé hmoty, je t²eba vytvá²et dlouhé molekulové ²et╪zce. Bez podpàrn∞ch látek, takzvan∞ch katalyzátorà, je t╪ºké p²im╪t polymery k tomu, aby tvo²ily stabilní slouƒeniny. Na poƒítaƒi lze látky i vliv teploty a dalτích vn╪jτích faktorà libovoln╪ kombinovat. Lze tak získat p²edstavu o vhodném sloºení materiálu mnohem rychleji, neº by to bylo moºné pomocí laboratorních pokusà.
Nejnov╪jτí parádní kousek se vτak Parrinellovi poda²il p²i simulaci v oblasti astrofyziky. V poƒítaƒi (Cray T3E) "zah²ál" vodu na teplotu 6000 °K a vystavil ji p²itom tlaku milionkrát v╪tτímu, neº je atmosférick∞ tlak na Zemi. P²íƒínou toho, ºe se tímto nijak vlaºn∞m "v∞varem" zab∞val, byla skuteƒnost, ºe satelity nam╪²ily na planet╪ Uran oscilace, které dokazují p²ítomnost vody uvnit² planety. V nitru takového t╪lesa ale pàsobí extrémní teploty a tlak. Parrinello dokázal svou simulací v∞sledky m╪²ení satelitu vysv╪tlit.
Kov vznikne i z vody...
Práv╪ v∞sledky takov∞ch simulací posunují v∞zkum vesmíru vp²ed. Nap²íklad záhadné hodnoty magnetického pole planety Neptun se dají vysv╪tlit pouze tak, ºe se uvnit² planety nachází kapalina, která je vynikajícím vodiƒem. Je snad moºné, ºe se voda za tak extrémních podmínek dostává do tohoto neobvyklého stavu?
Kdyº superpoƒítaƒ v Institutu Maxe Plancka ve Stuttgartu po t∞dnu v∞poƒtà odevzdal v∞sledky, bylo p²ekvapení ve v╪deck∞ch kruzích dokonalé: p²i vysoké teplot╪ a vysokém tlaku se voda p²em╪ní v kov s magnetick∞mi vlastnostmi. Po vyda²eném experimentu si Parrinello dokonce dal vyrobit odpovídající model molekuly a ƒasto jej hrd╪ prezentoval. Atomy vytvá²ející nová spojení m╪ní molekulu vody, jak ji známe z vyuƒovacího p²edm╪tu chemie, ve zcela novou strukturu.
Michele Parrinello uº p²em∞τlí o novém projektu - cht╪l by se v╪novat biologick∞m systémàm. Nyní zkoumá pomocí simulace enzym pro boj proti viru HIV. Pokud usp╪je, pomàºe lidstvu oslabit hràzu z AIDS.
Kdyº se srazí ƒerné díry...
Poƒítaƒové simulace, zejména v astrofyzice, pot²ebují obrovsk∞ v∞poƒetní v∞kon. Dr. Ed Seidl pracuje v Institutu Maxe Plancka pro gravitaƒní fyziku v rámci Institutu Alberta Einsteina v Postupimi na simulaci ƒern∞ch d╪r. P²itom uº nevystaƒí s poƒítaƒem SGI, kter∞ je v ústavu k dispozici. Takov∞ v∞zkum se da²í teprve s p²isp╪ním superpoƒítaƒà amerického NCSA (National Center for Supercomputing Applications) v Illinois, centra Konrada Zuse v Berlín╪ a poƒítaƒà v∞poƒetního st²ediska v Garchingu. Tyto poƒítaƒe spolu komunikují p²es v∞konné sít╪ rychlostí 10 megabità za sekundu a v∞poƒty koordinuje software s názvem "Cactus Computational Toolkit", vyvinut∞ Seidelovou pracovní skupinou. ⁿeτením sloºit∞ch soustav diferenciálních rovnic se tak v╪dci p²ibliºují po kràƒcích p²edstavám o vlastnostech vesmíru.
Pro mezinárodní spolupráci má Seidel závaºn∞ dàvod: "Problémy, které ²eτíme, jsou tak rozsáhlé a vyºadují tolik znalostí expertà z nejràzn╪jτích oborà, ºe úsp╪ch je moºn∞ jen s vyuºitím sít╪ spolupracujících ústavà."
V╪dci jsou nyní na stop╪ takzvan∞m gravitaƒním vlnám, které Albert Einstein p²edpov╪d╪l ve své obecné teorii relativity. Zatím se jeτt╪ nikomu nepoda²ilo takové deformace fyzikálního prostoru dokázat. V N╪mecku, USA a v Itálii se vτak uº stav╪jí detektory, které by m╪ly tyto vlny vystopovat.
Také na hannoverské univerzit╪ pracují v╪dci spoleƒn╪ s Institutem Alberta Einsteina a s univerzitou v Glasgow╪ na projektu GEO600, kter∞ má m╪²it gravitaƒní vlny. V∞sledky simulací z Postupimi pak mají poslouºit ke správné interpretaci budoucích m╪²ení.
Poƒítaƒové simulace nabízejí podstatnou v∞hodu: v╪dci mohou libovoln╪ m╪nit parametry a sledovat úƒinek na cel∞ systém. A£ jiº pracují na simulaci inkoustové tiskárny, nebo na simulaci ƒern∞ch d╪r, poƒítaƒové modely vºdy vysv╪tlují chování komplexního systému.
Avτak reálné experimenty tím nedoslouºily. Ed Seidel k tomu ²íká: "Bez pokusà ƒlov╪k snadno ztratí orientaci a v∞sledky simulací ho mohou zavést τpatn∞m sm╪rem." Problémem je ƒasto skuteƒnost, ºe extrémní teploty a tlaky pàsobí ve skuteƒnosti pouze po zlomky sekund, nap²íklad p²i vznícení jaderné náloºe. V∞sledky vojenského v∞zkumu jsou p²itom civilním v╪dcàm k dispozici jen z²ídka. Vzhledem k tomu, ºe v∞konnost poƒítaƒà rychle roste, získá simulace v budoucnosti jist╪ jeτt╪ lepτí pozici, neº jakou zaujímá dnes. V∞uka na univerzitách se tomu uº p²izpàsobuje. Ross Allen k tomu poznamenává: "Dnes uº nevychováváme chemiky, ale poƒítaƒové inºen∞ry."
Dnes v∞zkum, zítra b╪ºn∞ ºivot
Poƒítaƒi podporované snaºení v╪dcà má v╪tτí v∞znam pro b╪ºn∞ ºivot, neº si umíme p²edstavit. Na základ╪ simulací mate- riálà vznikají nejen um╪lé hmoty.
Ve farmaceutickém v∞zkumu modelují v╪dci vliv lékà na organismus. Ve v∞vojov∞ch odd╪leních automobilky Ford se pomocí softwaru Roberta Cara a Michela Parrinella zkoumá povrch hliníku a moºnosti dalτího vylepτení materiálu. V∞robce pneumatik Pirelli zase zjiτ£uje, které p²ísady v ƒerné gum╪ zlepτí p²ilnavost pneumatik k vozovce. V∞robci kabelà hledají optimální materiály pro obaly vodiƒà. Seznam pracoviτ£ a podnikà, které pouºívají simulaƒní software k optimalizaci materiálà a k návrhàm nov∞ch v∞robkà, by byl velmi dlouh∞. Jak dàleºit∞ je jeho program pro pràmysl, samoz²ejm╪ ví Michele Parrinello velmi dob²e: "I ta sebemenτí vylepτení mají p²i v∞rob╪ velk∞ v∞znam."
Harald Fette
"V∞zkum bez poƒítaƒové simulace je nemysliteln∞."
Odpovídá Michele Parrinello, ²editel stuttgartského Institutu Maxe Plancka (na obrázku s modelem klastrové molekuly v rukou).
Chip: Jaké místo mají simulace ve v╪d╪?
Parrinello: Bez simulace by byl uº dnes nemysliteln∞ hlavn╪ v∞zkum v oblasti p²írodních v╪d.
Chip: Nahradí poƒítaƒ v╪decké myτlení?
Parrinello: I nadále je pot²ebná v╪decká intuice. V╪dec musí rozeznat souvislosti a z moºností, které poƒítaƒe vypoƒítají, vybrat ty správné.
Chip: Vaτe simulace jsou sice fascinující - nap²íklad jak se voda na planet╪ Uran m╪ní v elektrovodiv∞ kov - ale komu prakticky poslouºí?
Parrinello: To, co se na první pohled zdá velmi odtaºité, nám pomáhá v porozum╪ní komplexním strukturám. Jen tak màºeme v∞voj posunout kup²edu.
Poƒítaƒová simulace pohání technick∞ pokrok
V osmdesát∞ch letech se v╪dcàm poda²il pràlom v oblasti poƒítaƒové simulace. V∞konnost poƒítaƒà a softwaru uº dosáhla takové úrovn╪, ºe tyto metody mohly i u vysoce komplexních problémà dodat spolehlivé v∞sledky.
Jedním z p²íkladà je metoda Roberta Cara a Michela Parrinella, díky níº màºe chemick∞ pràmysl získávat dàleºité poznatky pot²ebné p²i v∞rob╪ um╪l∞ch hmot. Také v automobilovém pràmyslu se aerodynamické tunely a sráºkové testy stále více nahrazují poƒítaƒovou simulací.
To, k ƒemu byly d²íve zapot²ebí velké poƒítaƒe, lze dnes ƒasto zvládnout i na PC s Pentiem II. Ve velk∞ch v∞zkumn∞ch centrech dosahují poƒítaƒe v∞konnosti i p²es 500 gigaflops (miliard operací s pohyblivou desetinnou ƒárkou za sekundu). Pro srovnání: Pentium II na 400 MHz dosahuje asi 170 megaflops.
Simulace v astrofyzice, nap²íklad kolize ƒern∞ch d╪r, zvládnou teprve sdruºené síly n╪kolika superpoƒítaƒà. Institut Alberta Einsteina v Postupimi se proto spojil s v∞zkumn∞mi ústavy v Berlín╪, Washingtonu a v Illinois.