Om Gemini

Verden er så stor, så stor

Kan vi avbilde verden? Greier vi å etterligne samspillet mellom de minste – og de største – prosessene i universet? Som at en sprekk oppstår, at vinden skyter fart, eller måten blodet strømmer gjennom blodårene våre på?

Å bruke gjennomsnittsverdier til å si noe om spesifikke tilstander, er ingen god løsning. Det vet forskere. I mange år og på de fleste fagfelt har de simulert hvordan vår verden oppfører seg. På datamaskinen har de laget modeller av hvordan lavtrykk beveger seg, hvordan olje og gass flyter i reservoarer – eller hva som skjer på atomnivå når en sprekk starter opp i et materiale. Datasimulering er rett og slett en måte å prøve å forstå og beskrive verden på.

Illustrasjonen viser strømvirvler og turbulens rundt et stigerør fra en flytende oljeplattform. Strømningen kan gi problemer som svingninger i rørene. Forskerne simulerer turbulensen for å kunne utføre nyttige beregninger. Illustrasjon: SINTEF IKT

Problemet har vært at man sjelden har greid å koble modeller fra en miniverden opp mot modeller fra en grovmasket, stor verden. Det har ikke vært – og vil heller ikke bli – nok regnekraft i overskuelig framtid, til å regne på alle skalaer samtidig. Derfor har forskerne vært nødt til å forenkle verden og velge den skala som har passet best til fenomenet de jobber med. For å få med effekter fra andre skalaer, har man regnet ut gjennomsnittsverdier og gjort antakelser. Men med det har detaljer og mulighetene til å se samspillet mellom ulike fenomen forsvunnet

– Du kan si at vi ikke har greid å modellere virkeligheten som den er, bare den biten vi ønsker å se på. Vi spør oss selv: Hva er det vi ønsker å vise? Så bruker vi en modell på en skala som passer til fenomenet vi ønsker å studere, sier Trond Kvamsdal, som arbeider med simuleringsteknologi i SINTEF.

MULTISKALA-MODELL • Men nå er en ny verden i ferd med å åpne seg – bokstavelig talt. I de senere årene har internasjonale forskningsmiljø utviklet teknikker som kan koble ulike skala sammen og hente effekter fra en skala inn i en annen. Multiskalamodellering kalles det nye vidunderet, og forskere verden over er fyr og flamme over framtidsmulighetene.

– Vi øyner et paradigmeskifte, innrømmer SINTEF-forsker Knut Andreas Lie. – I mange forskningsfelt har man over flere år utviklet stadig mer avanserte modeller for fenomener på en skala, eller på et fåtalls skalaer. Multiskalamodellering er en systematisk måte å koble sammen kunnskap fra flere ulike skalaer. Om man for eksempel har system med fenomen som opptrer på to forskjellige lengdeskalaer – både på en mikro- og på en makroskala – kan man få koblet de to skalamodellene og sett på hvordan de påvirker hverandre gjensidig. Samtidig som vi står i en setting med makroskala, kan vi altså få med effekten og påvirkningen fra en finere, usynlig verden, sier Lie.

– Sikkert fantastisk for matematikere. Men er dette banebrytende for andre?

– Ja, i høyeste grad . Dette vil få anvendelser på en rekke områder.Mye forskning er allerede gjort innenfor materialforskning og fluidmekanikk. Innen nanoteknologi og biofag ser forskerne for seg nye og spennende muligheter. Man snakker for eksempel om å gjøre modellkoblinger fra molekyl- til cellenivå og videre til organnivået i menneskekroppen.

La oss si vi er interessert i å modellere prosessen som forårsaker hjerteinfarkt. For å forstå hvordan forkalkning av blodårer oppstår, må vi kunne modellere hele prosessen fra hvordan enkeltceller binder seg til veggen i årene – til hvordan forkalkningen endrer strømningsmønsteret i blodet, forteller Lie. Han understreker at et felles trekk for prosesser innenfor biologi, materialforskning og fluidmekanikk er at de rommer mange fenomener på ulike tids- og lengdeskalaer som gjensidig påvirker hverandre. For å fatte helheten, er det nødvendig å forstå koblingene.

Og så kommer eksemplene på rad og rekke, og vi begynner å forstå. At dette nye har noe for seg – også for ikke-matematikere.

VÆR OG TURBULENS • Når dagens meteorologer beregner været, regner de på modeller som tallfester temperaturer og lufttrykk for hver femte kilometer. Skal de derimot regne på turbulens på en flyplass for å kunne si hvor tett fly kan lande og ta av, må de regne på meterskala.

Da blir det snakk om å ta i bruk en modell som har tilstrekkelig romlig oppløsning til å kunne fange opp lokale vindforhold og få med selv de minste strukturene i turbulensen.

– Turbulens er et vanskelig område å gjøre beregninger på, sier Kvamsdal. – Oppførselen er kaotisk og vanskelig å beregne. Det påvirker hele beregningsfeltet, og det krever stor beregningskraft. Forestill deg fem tusen fotballtilhengere som samtidig skal ut fra en fotballarena gjennom en fem meter bred port. Det greieste er om folk går ti og ti i bredden og i nøyaktig likt tempo. Men forestill deg at noen tullinger begynner å gå i sirkler midt inne i «toget». Da stopper alt opp. Det blir treghet, uberegnelighet og kaos. Det samme skjer når vi får turbulens i værlagene.

Multiskalateknikker vil kunne gi en sammenkobling og vekselvirkning mellom dagens værgemini modeller og detaljerte modeller med bedre romlig oppløsning. Det vil gi meteorologene aha-opplevelser.

OLJE • Ved SINTEF jobber man allerede med multiskalamodeller innenfor økt oljeutvinning. Når et oljereservoar skal modelleres, er man interessert i strømningen av olje, gass og vann på en skala fra et titalls- til flere tusen meter. Hvordan oljen flyter, bestemmes av ledningsevnen til steinen. Denne varierer over mange skalaer, fra å favne variasjon i steinkornene på millimeterskala – til lagvise variasjoner som strekker seg over mange kilometer. Siden lokale variasjoner har stor innflytelse på det totale strømningsbildet, lager geologene modeller på meterskala som beskriver reservoaret og ledningsevnenen.

Multiskalametode for å beregne strømningshastighet i et oljereservoar. Nederst: Den grove skalaen viser hvordan ledningsevnen i stein varierer (rødt = stor ledningsevne, blått = liten). Ved å ta alle blokkpar med felles sideflate og beregne relativ fordeling av strømningshastighet på fin skala innenfor blokken, får man grunnlaget til en såkalt basisfunksjon (øverst). Slik kan man ta inn effekten av variasjon på fin skala for å løse strømningsproblemet på grov skala. Illustrasjon: SINTEF IKT

– Grid-modeller som vi bruker til å karakterisere geologien i reservoaret, inneholder vanligvis flere gridceller enn man kan bruke for å simulere reservoarstrømmen med eksisterende dataverktøy. Mye arbeid legges derfor ned for å lage grovere modeller der ledningsevnene fra mange celler i geomodellen slås sammen til en verdi. Å utføre en slik oppskalering er arbeidskrevende og leder dessverre ofte til feil beregningsresultat. Oljeselskapenes modellering av reservoarer vil derfor både forenkles og forbedres dersom man i framtida kan bruke geologimodeller mer direkte til simulering, sier Lie.

SPREKKER • Sprekker og brudd i materialer er et stort samfunnsproblem. Når bruer og rør sprekker opp og deformeres, snakker vi om milliardutgifter. Mikroprekker kan oppstå både under størkning, ved sveising og når materialet formes og bearbeides. Sprekkene begynner gjerne på atomært nivå ved at atombindinger brytes opp, og vokser gradvis til større skalaer. Hvis man skal kunne regne på dette, må en ha med modeller som i stand til å fange inn fenomene helt fra atomnivå og opp til full skala.

SINTEF Materialer og kjemi har drevet avansert modellering av multiskalasystemer gjennom en årrekke. Det nye nå er at utvikling av regnekraft har gjort det mulig å regne samtidig på flere skaler. Forskerne kan bruke mer komplekse modeller og likevel få et svar i løpet av akseptabel tid. Nå ønsker instituttet å starte opp et arbeid rundt bruddmekanikk . Det er særlig skalaene for kvantemekanikk og molekyldynamikk som er interessante når det gjelder brudd.

Professor Bjørn Hafskjold ved NTNU har i mange år drevet framtidsrettet forskning innenfor molekyldynamikk, og har blant annet sett på atomer i grenseflater og overflater i væsker – et fenomen som spiller stor rolle i flere industrielle prosesser. En sammenkobling av modeller kan nå bety et løft for dette forskningsområdet.

– Ved å bruke matematiske multiskalametoder vil vi kunne få en bedre helhetsforståelse for mange fenomen som er industrielt viktige. Vi vil for eksempel kunne beregne hvor fort kjemiske reaksjoner forløper, forutsi hvilke egenskaper materialet skal få, og kunne designe materialer ut fra funksjonen de skal ha, sier forskningssjef Stein Tore Johansen på SINTEF Materialer og kjemi. Han forteller at det nå blir satt i gang et internt prosjekt på feltet og at det skal legges en strategiplan.

HILSES VELKOMMEN • - Jeg mener at multiskalamodellering vil være en ting å jobbe med for SINTEF/NTNU-miljøet de neste 20 årene, og at så godt som alle institutt og bransjer vil kunne involveres, sier Trond Kvamsdal.

– Siden modellering omfatter alle sektorer fra bygg, marin og materialer – til fag som biologi, fysikk og kjemi – er denne teknikken gull verdt for et forskningsmiljø som vårt der vi har stor bredde. Et strategisk instituttprogram (SIP) er allerede startet opp ved SINTEF IKT der det jobbes med konkrete problemstillinger innenfor petroleumsbransjen. Miljøet har også en post doc. tilknyttet forskningen og noen doktorstudenter som jobber opp mot feltet.

– Vi er ikke så store foreløpig, men håper likevel at arbeidet vi gjør, vil bli lagt merke til både nasjonalt og internasjonalt, sier Knut Andreas Lie. Kvamsdal refererer til en fersk evaluering av NTNUs teknologifakultet der en av konklusjonene var at miljøet burde adressere problematikk rundt nanoforskning til industriell virksomhet. – Siden beregningskraften har økt mye i det siste, er multiskalaberegninger svært aktuelle her. Men da blir det også viktig at studentutdannelsen ved NTNU får en felles naturvitenskapelig plattform. Det må til for å skape en god kommunikasjon mellom de ulike fagene, sier han.

Av Åse Dragland

Kontakt: Knut Andreas Lie, SINTEF IKT
Tlf.: 22 06 77 19, e-post: knut-andreas.lie@sintef.no