Das US-Energieministerium (DoE) kündigte neue Mittel für ein Projekt an, das von Forschern des Plasma Science and Fusion Center (PSFC) des MIT und vier Partnerinstitutionen geleitet wird und Teil einer Strategie ist, um die Einführung der Fusionsenergie zu beschleunigen und bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen.
Neue Arbeiten von Cristina Rea vom MIT und ihren Co-Forschern zielen darauf ab, den Fortschritt in der Fusionswissenschaft zu beschleunigen und die Fusionsenergie so schnell wie möglich Wirklichkeit werden zu lassen. Bildquelle: AnaKova/U.S. Fusion Outreach-Abteilung
Da die Auswirkungen des Klimawandels weiter zunehmen, wächst auch das Interesse am Potenzial der Kernfusion als saubere Energiequelle. Obwohl Fusionsreaktionen seit den 1930er Jahren in Laboratorien untersucht werden, müssen Wissenschaftler viele Schlüsselfragen beantworten, bevor die Erzeugung von Fusionsenergie Realität wird, und Zeit ist von entscheidender Bedeutung.
Verbessern Sie die Forschungskapazitäten durch Daten und künstliche Intelligenz
Cristina Rea, Forschungswissenschaftlerin und Gruppenleiterin am Center for Plasma Science and Fusion, wird als Hauptforscherin in einem neu finanzierten dreijährigen Verbundprojekt fungieren, um die Integration von Fusionsdaten in ein System zu testen, das von Tools der künstlichen Intelligenz gelesen werden kann. PSFC plant zusammen mit Wissenschaftlern des College of William and Mary, der University of Wisconsin-Madison, der Auburn University und der gemeinnützigen HDF Group die Schaffung einer ganzheitlichen konvergenten Datenplattform, deren Elemente Forschern, insbesondere unterrepräsentierten Studenten, einen beispiellosen Zugang bieten könnten. Ziel des Projekts ist es, verschiedene Gruppen in der Wissenschaft und in der Belegschaft durch ein Outreach-Programm unter der Leitung der Co-Ermittler der Gruppe, von denen vier von fünf Frauen sind, dazu zu ermutigen, sich mit Konvergenz und Datenwissenschaft zu befassen.
Cristina Rea (rechts) ist Hauptforscherin in einem neuen, vom US-Energieministerium finanzierten Projekt, das darauf abzielt, Daten von Fusionsgeräten wie dem C-Mod-Tokamak von Alcatel (Hintergrund) zu modernisieren, um die Leistungsfähigkeit künstlicher Intelligenz zu nutzen. Danas Ridikas, Leiter der Physikabteilung der Internationalen Atomenergiebehörde, schrieb einen Brief, in dem er Rheas Vorschlag unterstützte. Bildnachweis: EarlMarmar
Der DOE-Preis, Teil eines 29-Millionen-Dollar-Finanzierungspakets für sieben Projekte bei 19 Agenturen, wird die Verteilung von Daten durch die Gruppe unterstützen, die von Fusionsgeräten wie dem Alcator C-Mod der PSFC generiert werden, einem donutförmigen „Tokamak“, der leistungsstarke Magnete verwendet, um Fusionsreaktionen zu steuern und einzuschränken. Alcator C-Mod lief von 1991 bis 2016 und seine Daten werden immer noch untersucht, was teilweise dem Engagement der PSFC für den freien Wissensaustausch zu verdanken ist.
Bewältigung der Herausforderungen bei der Datenerfassung
Derzeit gibt es fast 50 öffentliche experimentelle Geräte zur Fusion mit magnetischem Einschluss; Allerdings ist es schwierig, historische und aktuelle Daten von diesen Geräten zu erhalten. Einige Fusionsdatenbanken erfordern eine unterzeichnete Benutzervereinbarung und nicht alle Daten werden auf die gleiche Weise katalogisiert und organisiert. Darüber hinaus ist es schwierig, maschinelles Lernen (eine Art Werkzeug der künstlichen Intelligenz) zu nutzen, um Daten zu analysieren und wissenschaftliche Entdeckungen zu erzielen, ohne die Daten zeitaufwändig neu zu organisieren. Infolgedessen arbeiten weniger Wissenschaftler an der Konvergenzforschung, die Hürden für Entdeckungen sind gestiegen und es kommt zu Engpässen bei der Nutzung von KI zur Beschleunigung des Fortschritts.
Die vom Projekt vorgeschlagene Datenplattform beseitigt technische Hindernisse für mehr Transparenz und Inklusivität in der Wissenschaft durch FAIR (Findable, Interoperable, Accessible, Reusable) und die Open Science (OS)-Empfehlungen der UNESCO; Wie vom Bildungsministerium gefordert, werden alle Leistungen der Forscher den FAIR- und OS-Prinzipien entsprechen.
Die Datenbank der Plattform wird mit MDSplusML erstellt, einer aktualisierten Version der Open-Source-Software MDSplus, die in den 1980er Jahren von PSFC-Forschern entwickelt wurde, um experimentelle Ergebnisse von Alcator C-Mod zu katalogisieren. Heute nutzen fast 40 Fusionsforschungseinrichtungen MDSplus, um Fusionsdaten zu speichern und der Außenwelt zur Verfügung zu stellen. Die Veröffentlichung von MDSplusML zielt darauf ab, diese Tradition der offenen Zusammenarbeit fortzusetzen.
Förderung von Vielfalt und Inklusion in der Fusionsforschung
Die Forscher beabsichtigen, Hindernisse für die Teilnahme von Frauen und unterrepräsentierten Gruppen an der Forschung zu beseitigen, nicht nur durch die Verbesserung des allgemeinen Zugangs zu Fusionsdaten, sondern auch durch eine subventionierte Sommerschule, die in den nächsten drei Jahren bei William & Mary stattfinden wird und sich auf Themen an der Schnittstelle von Fusion und maschinellem Lernen konzentriert.
Zur Bedeutung ihrer Forschung sagte Rhea: „Bei diesem Projekt geht es darum, einen Bedarf im Fusionsbereich zu decken und den Grundstein für unseren Erfolg zu legen. Wissenschaftlicher Fortschritt im Fusionsbereich wird durch multidisziplinäre Zusammenarbeit und gegenseitige Befruchtung erreicht, daher ist Zugänglichkeit eine absolute Notwendigkeit. Ich denke, wir alle verstehen jetzt, dass verschiedene Gemeinschaften vielfältigere Ideen haben und Probleme schneller lösen können.“
Die Arbeit des Verbundprojekts steht auch im Einklang mit wichtigen Forschungsbereichen, die im koordinierten Forschungsprogramm (CRP) „Fusion Artificial Intelligence“ der Internationalen Atomenergiebehörde identifiziert wurden. Rea wurde als technischer Koordinator für das CRP der Internationalen Atomenergiebehörde ausgewählt, bei dem das Engagement der Gemeinschaft und der Wissenserwerb zur Beschleunigung der Kernfusionsforschung und -entwicklung im Vordergrund stehen. In einem Schreiben zur Unterstützung des vom Team vorgeschlagenen Projekts stellte die IAEA fest: „Die Arbeit, die [Forscher] leisten werden, wird nicht nur unserem CRP zugute kommen, sondern auch der internationalen Fusionsgemeinschaft insgesamt.“
Dennis Whyte, Direktor des PSFC und Professor für Ingenieurwissenschaften bei Hitachi America, fügte hinzu: „Ich freue mich, dass das PSFC und unsere Mitarbeiter an der Spitze der Anwendung neuer Werkzeuge der künstlichen Intelligenz stehen und gleichzeitig die Extraktion kritischer Daten aus unseren Experimenten fördern und ermöglichen.“
„Die Möglichkeit zu haben, ein so wichtiges Projekt zu leiten, ist tiefgreifend und ich fühle mich verpflichtet, zu zeigen, dass Frauen in MINT-Bereichen führend sind“, sagte Rhea. „Wir haben ein unglaubliches Team von Menschen, die zutiefst motiviert sind, unser Fusionsökosystem zu verbessern und zur Verwirklichung der Fusionsenergie beizutragen.“