Het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE) heeft nieuwe financiering aangekondigd voor een project onder leiding van onderzoekers van het Plasma Science and Fusion Center (PSFC) van MIT en vier partnerinstellingen als onderdeel van een strategie om de komst van fusie-energie te versnellen en tegen 2050 koolstofneutraliteit te bereiken.

Nieuw werk dat wordt uitgevoerd door Cristina Rea van MIT en haar medeonderzoekers heeft tot doel de vooruitgang in de fusiewetenschap te versnellen en fusie-energie zo snel mogelijk werkelijkheid te maken. Bron afbeelding: AnaKova/U.S. Afdeling Fusion Outreach

Nu de gevolgen van de klimaatverandering blijven toenemen, groeit ook de belangstelling voor het potentieel van kernfusie als schone energiebron. Hoewel fusiereacties al sinds de jaren dertig in laboratoria worden bestudeerd, zijn er veel belangrijke vragen die wetenschappers moeten beantwoorden voordat de opwekking van fusie-energie werkelijkheid wordt, en tijd is van essentieel belang.

Verbeter de onderzoeksmogelijkheden door middel van data en kunstmatige intelligentie

Cristina Rea, onderzoekswetenschapper en groepsleider bij het Center for Plasma Science and Fusion, zal als hoofdonderzoeker dienen bij een nieuw gefinancierd driejarig samenwerkingsproject om de integratie van fusiegegevens te testen in een systeem dat kan worden gelezen door hulpmiddelen voor kunstmatige intelligentie. PSFC is van plan om, samen met wetenschappers van het College of William and Mary, de University of Wisconsin-Madison, Auburn University en de non-profit HDF Group, een holistisch geconvergeerd dataplatform te creëren, waarvan elementen ongekende toegang zouden kunnen bieden aan onderzoekers, vooral ondervertegenwoordigde studenten. Het project heeft tot doel diverse groepen in de academische wereld en de beroepsbevolking aan te moedigen zich bezig te houden met convergentie en datawetenschap via een outreachprogramma onder leiding van de medeonderzoekers van de groep, van wie vier op de vijf vrouwen zijn.

Cristina Rea (rechts) is hoofdonderzoeker van een nieuw, door het Amerikaanse ministerie van Energie gefinancierd project dat tot doel heeft gegevens van fusie-apparaten zoals de C-Mod tokamak van Alcatel (achtergrond) te moderniseren om de kracht van kunstmatige intelligentie te benutten. Danas Ridikas, hoofd van de afdeling natuurkunde van het Internationale Atoomenergie Agentschap, schreef een steunbrief voor het voorstel van Rhea. Fotocredit: EarlMarmar

De DOE-prijs, onderdeel van een financieringspakket van $ 29 miljoen voor zeven projecten bij 19 agentschappen, zal de distributie van gegevens door de groep ondersteunen die zijn gegenereerd door fusie-apparaten zoals PSFC's Alcator C-Mod, een donutvormige "tokamak" die krachtige magneten gebruikt om fusiereacties te controleren en te beperken. Alcator C-Mod liep van 1991 tot 2016 en de gegevens ervan worden nog steeds bestudeerd, deels dankzij de inzet van de PSFC voor de vrije uitwisseling van kennis.

Het aanpakken van uitdagingen op het gebied van data-acquisitie

Momenteel zijn er bijna 50 openbare experimentele fusie-apparaten met magnetische opsluiting; historische en actuele gegevens van deze apparaten zijn echter moeilijk te verkrijgen. Voor sommige fusiedatabases is een ondertekende gebruikersovereenkomst vereist, en niet alle gegevens zijn op dezelfde manier gecatalogiseerd en georganiseerd. Bovendien is het moeilijk om machinaal leren (een soort hulpmiddel voor kunstmatige intelligentie) te gebruiken om gegevens te analyseren en wetenschappelijke ontdekkingen te doen zonder tijdrovende reorganisatie van gegevens. Als gevolg hiervan werken minder wetenschappers aan convergentieonderzoek, zijn de barrières voor ontdekking groter geworden en worden er knelpunten aangetroffen bij het gebruik van AI om de vooruitgang te versnellen.

Het voorgestelde dataplatform van het project pakt technische belemmeringen voor grotere transparantie en inclusiviteit in de wetenschap aan via FAIR (Findable, Interoperable, Accessable, Reusable) en de Open Science (OS)-aanbevelingen van UNESCO; zoals vereist door het Ministerie van Onderwijs zullen alle resultaten van onderzoekers voldoen aan de FAIR- en OS-principes.

De database van het platform zal worden gebouwd met behulp van MDSplusML, een verbeterde versie van de MDSplus open source-software die in de jaren tachtig door PSFC-onderzoekers is ontwikkeld om experimentele resultaten van Alcator C-Mod te catalogiseren. Tegenwoordig gebruiken bijna veertig fusieonderzoeksinstellingen MDSplus om fusiegegevens op te slaan en aan de buitenwereld te verstrekken. De release van MDSplusML heeft tot doel deze traditie van open samenwerking voort te zetten.

Bevordering van diversiteit en inclusie in fusieonderzoek

De onderzoekers zijn van plan de barrières aan te pakken voor vrouwen en ondervertegenwoordigde groepen die aan onderzoek deelnemen, niet alleen door de algemene toegang tot fusiegegevens te verbeteren, maar ook door middel van een gesubsidieerde zomerschool die de komende drie jaar bij William & Mary zal worden gehouden en zich zal richten op onderwerpen op het snijvlak van fusie en machinaal leren.

Over het belang van hun onderzoek zei Rhea: "Dit project gaat over het vervullen van een behoefte op het gebied van fusie en het leggen van de basis voor ons succes. Wetenschappelijke vooruitgang op het gebied van fusie wordt bereikt door multidisciplinaire samenwerking en kruisbestuiving, dus toegankelijkheid is een absolute noodzaak. Ik denk dat we nu allemaal begrijpen dat diverse gemeenschappen meer uiteenlopende ideeën hebben en dat ze problemen sneller kunnen oplossen."

Het werk van het samenwerkingsproject komt ook overeen met belangrijke onderzoeksgebieden die zijn geïdentificeerd door het gecoördineerde onderzoeksprogramma (CRP) "Fusion Artificial Intelligence" van de Internationale Organisatie voor Atoomenergie. Rea werd geselecteerd als technisch coördinator voor het CRP van het Internationaal Atoomenergieagentschap, dat de nadruk legt op gemeenschapsbetrokkenheid en kennisverwerving om onderzoek en ontwikkeling op het gebied van kernfusie te versnellen. In een brief ter ondersteuning van het voorgestelde project van het team merkte het IAEA op: "Het werk dat [onderzoekers] zullen verrichten [...] zal niet alleen onze CRP ten goede komen, maar ook de internationale fusiegemeenschap als geheel."

Dennis Whyte, directeur van de PSFC en hoogleraar techniek bij Hitachi America, voegde hieraan toe: "Ik ben blij om te zien dat de PSFC en onze medewerkers voorop lopen bij het toepassen van nieuwe kunstmatige intelligentie-instrumenten, terwijl ze de extractie van cruciale gegevens uit onze experimenten aanmoedigen en mogelijk maken."

"De mogelijkheid hebben om zo'n belangrijk project te leiden is diepgaand, en ik voel een verantwoordelijkheid om te laten zien dat vrouwen leiders zijn op STEM-gebieden", zei Rhea. "We hebben een ongelooflijk team van mensen die diep gemotiveerd zijn om ons fusie-ecosysteem te verbeteren en bij te dragen aan de realisatie van fusie-energie."