Het belang van High Performance Computing voor Nederland

Het belang van High Performance Computing voor Nederland Het belang van High Performance Computing voor Nederland SARA | NCF

www.sara.nl

Stichting Nationale Computerfaciliteiten (NCF) Postbus 93575 2509 AN Den Haag T +31 (0)70 344 0700 [email protected] www.nwo.nl/ncf

december 2008

SARA Reken- en Netwerkdiensten Postbus 94613 1090 GP Amsterdam T +31 (0)20 592 3000 [email protected]

december 2008

Het belang van High Performance Computing voor Nederland

december 2008

Inhoud Zonder hoogwaardige infrastructuur geen hoogwaardige wetenschap: High Performance Computing in Nederland | 7 Computational Science | 8 Vormen van onderzoek waarbij supercomputers onmisbaar zijn | 9 De noodzaak van supercomputers | 11 HPC is een hoge prioriteit voor ESFRI | 12 Internationale investeringen in HPC | 12 Ook in Nederland! | 13 De kenniseconomie | 14 Het belang van High Performance Computing voor Nederland | 15 Referenties en literatuur | 16

Toponderzoek 18 | Prof. dr. E.J. (Evert Jan) Baerends, Vrije Universiteit Amsterdam 20 | Prof. dr. ir. B.J. (Bendiks Jan) Boersma, Technische Universiteit Delft 22 | Prof. dr. A.P.J. (Antal) van den Bosch, Universiteit van Tilburg 24 | Prof. dr. J. (Jeroen) van den Brink, Universiteit Leiden 26 | Prof. dr. R. (Ria) Broer, Rijksuniversiteit Groningen 28 | Prof. dr. H.J.H. (Herman) Clercx, Technische Universiteit Eindhoven 30 | Prof. dr. ir. H.A. (Henk) Dijkstra, Universiteit Utrecht 32 | Prof. dr. U.M. (Ute) Ebert, CWI Amsterdam en Technische Universiteit Eindhoven 34 | Prof. dr. C. (Claudia) Filippi, Universiteit Leiden 36 | Prof. dr. ir. J.G.E.M. (Hans) Fraaije & dr. G.J.A. (Agur) Sevink, Universiteit Leiden 38 | Prof. dr. ir. B.J. (Bernard) Geurts, Universiteit Twente 40 | Prof. dr. W.J. (Wim) Goedheer, FOM-Instituut voor Plasmafysica en Universiteit Utrecht 42 | Prof. dr. M.A.M. (Martien) Groenen, Wageningen Universiteit en Researchcentrum 44 | Prof. dr. ir. S. M. (Majid) Hassanizadeh, Universiteit Utrecht 46 | Prof. dr. H.J. (Jaap) van den Herik, Universiteit van Tilburg

48 | Prof. dr. V. (Vincent) Icke, Universiteit Leiden 50 | Prof. dr. M.I. (Mikhail) Katsnelson, Radboud Universiteit Nijmegen 52 | Prof. dr. P.J. (Paul) Kelly, Universiteit Twente 54 | Prof. Dr.-Ing. habil. R. (Roland) Klees, Technische Universiteit Delft 56 | Prof. dr. ir. C.R. (Chris) Kleijn, Technische Universiteit Delft 58 | Prof. dr. ir. B. (Barry) Koren, CWI Amsterdam, Technische Universiteit Delft en Universiteit Leiden 60 | Prof. dr. G.J. (Geert-Jan) Kroes, Universiteit Leiden 62 | Prof. dr. ir. J.A.M. (Hans) Kuipers, Universiteit Twente 64 | Prof. dr. D. (Detlef) Lohse, Universiteit Twente 66 | Prof. dr. W.L. (Leo) Meerts, Radboud Universiteit Nijmegen 68 | Prof. dr. J.W. (Hans) Niemantsverdriet & dr. D. (Daniel) Curulla, Technische Universiteit Eindhoven 70 | Dr. S.F. (Simon) Portegies Zwart, Universiteit van Amsterdam 72 | Prof. dr. H.A. (Hans) de Raedt, Rijksuniversiteit Groningen 74 | Prof. dr. D.J.E.M. (Dirk) Roekaerts, Technische Universiteit Delft 76 | Prof. dr. ir. W. (Wim) van Saarloos, Universiteit Leiden

78 | Prof. dr. R.A. (Rutger) van Santen, Technische Universiteit Eindhoven 80 | Prof. dr. W.H.A. (Wil) Schilders, Technische Universiteit Eindhoven en Philips Research 82 | Prof. dr. P.M.A. (Peter) Sloot, Universiteit van Amsterdam 84 | Prof. dr. ir. G.S. (Guus) Stelling, Technische Universiteit Delft 86 | Prof. dr. A.E.P. (Arthur) Veldman, Rijksuniversiteit Groningen 88 | Prof. dr. ir. P. (Pier) Vellinga & dr. ir. L.N. (Laurens) Ganzeveld, Vrije Universiteit Amsterdam en Wageningen Universiteit en Researchcentrum 90 | Dr. J. Vilà-Guerau de Arellano, Wageningen Universiteit en Researchcentrum 92 | Prof. dr. J. (Jacob) de Vlieg, Schering-Plough en Radboud Universiteit Nijmegen 94 | Prof. dr. H.A. (Henk) van der Vorst, Universiteit Utrecht 96 | Prof. dr. ir. F.N. (Frans) van de Vosse, Technische Universiteit Eindhoven 98 | Prof. dr. G. (Gert) Vriend, Radboud Universiteit Nijmegen 100 | Prof. dr. ir. H.H. (Harrie) Weinans, Erasmus Universiteit Rotterdam

Zonder hoogwaardige infrastructuur geen hoogwaardige wetenschap:

High Performance Computing in Nederland Op welke wijze kunnen we het leefklimaat in Nederland verbeteren als het gaat om de verspreiding van vervuilende stoffen? Hoe kunnen we macroscopische materiaaleigenschappen afleiden uit kwantummechanische fenomenen? Hoe kunnen we het geluid van vliegtuigmotoren verminderen? Hoe verspreiden algen zich en klonteren ze samen in meren en kustzeeën? Welke invloed hebben de snelle veranderingen in de Atlantische oceaancirculatie op ons klimaat in West-Europa? Welke invloed heeft atmosferische turbulentie op ons weer? Hoe ontwikkelen we materialen voor het post-silicon elektronicatijdperk? Welke aërodynamische eigenschappen hebben windturbineparken? Nederland is een kenniseconomie bij uitstek. Ons land kan zich gelukkig prijzen met een wijdvertakt netwerk van kennis- en onderzoeksinstituten. Hun wetenschappelijke output is bekend bij vakgenoten en vindt zijn weg naar toepassingen in de technologie, industrie, onderwijs en economie. Maar daarbuiten is er vaak maar weinig over bekend. Daarom is SARA, in samenwerking met de stichting Nationale Computerfaciliteiten (NCF) er trots op om in deze publicatie een groot aantal vormen van belangwekkend, baanbrekend en maatschappelijk relevant wetenschappelijk onderzoek bijeen te brengen. Alle onderzoekers die in deze bundel een tipje

van de sluier oplichten, hebben één ding gemeen: ze werken al jaren met de meest geavanceerde faciliteiten op het gebied van High Performance Computing (verder HPC) die in Nederland beschikbaar zijn en hebben op dit moment allemaal reeds concrete grote (Petascale) wetenschappelijke uitdagingen. Hun hoogwaardige berekeningen zijn in samenwerking met het HPC-team van SARA uitgevoerd op de nationale supercomputer Huygens en op de voorgangers daarvan: Teras/Aster, en de Cray en CDC-vectormachines. Sterker nog: zonder deze HPC-faciliteiten zou hun onderzoek onmogelijk zijn.

7

De wetenschappers die ons in deze bundel een kijkje in de keuken gunnen, werken met zeer complexe berekeningen, algoritmen en modellen. Dit type onderzoek maakt het mogelijk problemen te analyseren en op te lossen die we ons vroeger amper konden voorstellen.

8

Daarom is het niet overdreven te stellen dat een hoogwaardige infrastructuur op het gebied van HPC een essentiële voorwaarde is voor geavanceerd onderzoek op een groot aantal verschillende gebieden. En omdat dit type onderzoek de voedingsbodem vormt voor de ontwikkeling van industriële en technologische toepassingen, is een hoogwaardige HPC-infrastructuur van levensbelang voor de ontwikkeling van de kenniseconomie.

Computational science

Computational Science wordt wel de derde methodologie genoemd, naast theorie en experiment. De term derde methodologie geeft al aan dat het om een nieuwe werkwijze gaat, met een eigen karakter en toepassingsgebied. Computational Science maakt het mogelijk theoretische modellen toe te passen op praktische problemen met behulp van computersimulaties. Dit is een snel groeiend multidisciplinair veld, waar geavanceerde computers en modelleringtechnieken gebruikt worden om ingewikkelde problemen te begrijpen en op te lossen.

Supercomputers zijn onmisbare instrumenten in computational science bij het oplossen van complexe wetenschappelijke, maatschappelijke en industriële uitdagingen. Ze zijn daardoor strategisch van belang voor research en development in een groot aantal wetenschapsgebieden. Met behulp van supercomputers kunnen onderzoekers verschijnselen simuleren die ze anders niet kunnen onderzoeken omdat experimenten te gevaarlijk, te duur, onethisch of gewoon onmogelijk zijn. De wetenschap formuleert steeds nieuwe uitdagingen, de zogenaamde 'Grand Challenges'. Het gaat hierbij om berekeningen die op moderne supercomputers miljoenen (!) processoruren rekentijd vergen. Een dergelijke 'Grand Challenge' neemt de huidige nationale supercomputer enkele maanden volledig in beslag. Overigens zullen er ook bij veel snellere supercomputers altijd 'Grand Challenges' blijven: in een geavanceerde maatschappij is het noodzakelijk de grenzen van wetenschap, technologie en kennis voortdurend te verleggen.

Vormen van onderzoek waarbij supercomputers onmisbaar zijn:

• W eer, klimaat en milieu: nauwkeurige hoge-resolutiemodelleringen van lange termijn voorspellingen voor klimaatverandering, luchtverontreiniging en extreme weersituaties • Watermanagement: waterstroombeheer in extreme situaties en adviezen bij calamiteiten • Nanotechnologie: voorspelling van eigenschappen van samengestelde nanosystemen om te komen tot innovatieve oplossingen voor energieproblemen, moleculaire elektronica en biomoleculaire materialen • Levenswetenschappen, biotechnologie: nauwkeurige dynamische moleculaire simulatie van eiwitten, interacties van medicijnen, modellering van complete cellen • M edische wetenschappen: ontwikkeling botstructuren onder stress, simulatie bloedstromen en hartfunctie, computational neurology (hersenonderzoek) • E nergieonderzoek: begrijpen van hoge-energieplasma's, kernfusie, zonne-energie; modellering van verbrandingsprocessen voor efficiënte en schone energie • A strofysica: studie van de evolutie van sterrenstelsels, van energieomzettingen onder extreme omstandigheden, ontstaan van het heelal • C hemie en materiaalkunde: katalyse voor chemische processen bij lage(re) temperaturen, berekening en verklaring chemische eigenschappen van materialen, moleculaire dynamica.

Nationale Supercomputer Huygens.

De noodzaak van supercomputers

Zijn supercomputers altijd nodig om complexe en omvangrijke berekeningen te maken? Is het niet veel eenvoudiger om grote aantallen computers of processors te koppelen in een cluster (capacity computing) of via een wide area netwerk (grid computing)? Helaas, was het leven maar zo eenvoudig. Koppeling van computers of processors kan zeker een bijdrage leveren bij de oplossing van wetenschappelijke, sociale en economische vraagstukken. Je kunt hiermee zeer grote modelberekeningen en simulaties uitvoeren, maar er is één essentiële beperking: de berekeningen, modellen en algoritmes moeten uitgesplitst kunnen worden en parallel (asynchroon) oplosbaar zijn. Dat is vaak niet het geval. Bij berekeningen die supercomputers uitvoeren, gaat het om capability computing. Hierbij combineren we een groot aantal van de krachtigste processors, een groot gemeenschappelijk toegankelijk geheugen en een hoge communicatiesnelheid tussen de processors onderling en tussen de processors en het geheugen. Dit is in een cluster of grid op fundamenteel fysische gronden nooit te realiseren. Daarnaast werken onderzoekers vaak met gigantische hoeveelheden data. De permanente opslag en de toegankelijkheid van deze data vereisen een grootschalige opslaginfrastructuur met supersnelle verbinding met de processors.

Het is daarom van zeer groot belang dat onderzoekers toegang hebben tot hoogwaardige faciliteiten op het vlak van High Performance Computing. Hiertoe voert de stichting Nationale Computerfaciliteiten (NCF) onder de vlag van NWO al bijna twintig jaar een speciaal op dit onderzoeksgebied gericht nationaal beleid. NCF streeft ernaar onderzoekers een meerjarig perspectief te bieden op de aanwezigheid en beschikbaarheid van dergelijke voorzieningen. NCF richt zich dan ook op rekenfaciliteiten op nationale schaal, die individuele instellingen niet kunnen bekostigen. Het duidelijkste voorbeeld hiervan is de nationale supercomputer, momenteel het IBM Power6 systeem Huygens met een rekencapaciteit van 60 Tfl op/s*) (0,06 Pfl op/s). Deze systemen vormen nationaal de absolute top van de piramide. Daarnaast investeert NCF regelmatig in aanvullende faciliteiten, onder andere bij SARA en de Rijksuniversiteit Groningen. SARA is als nationaal supercomputercentrum verantwoordelijk voor de complete dienstverlening aan de wetenschappelijk gebruikers van deze nationale faciliteit.

*) Pflop/s komt overeen met 1015 floating-point operations per seconde (flop/s).

11

HPC is een hoge prioriteit voor ESFRI

In september 2006 heeft het Europese Strategie Forum voor Research Infrastructuren (ESFRI) de European Roadmap voor onderzoeksinfrastructuren1 vastgesteld. ESFRI heeft High Performance Computing geïdentifi ceerd als een strategische prioriteit voor Europa. Als Europa in internationaal verband wil blijven concurreren, moeten wetenschappers toegang hebben tot de snelste supercomputers in de wereld.

12

Het ESFRI-rapport heeft geleid tot het samenwerkingsverband PRACE, Partnership for Advanced Computing in Europe2. Hieraan neemt een groot aantal Europese landen deel. Dit partnership is bezig met de voorbereiding van een permanente pan-Europese HPCservice en infrastructuur, die Europese onderzoekers toegang biedt tot een aantal Europese topsystemen met Petascale performance, zgn. Tier-0 systemen. Onder Petascale wordt verstaan het bereiken van 1 Pfl op/s performance. Europese wetenschappers krijgen hiermee de beschikking over supercomputerfaciliteiten van wereldklasse, met een rekenkracht die minimaal gelijk is aan de rekenkracht waarover onderzoekers in de Verenigde Staten en Japan beschikken. Nederland heeft met zijn aantal inwoners en inkomen per hoofd van de bevolking de kritische massa om samen met Duitsland, Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en Spanje, vorm en inhoud te geven aan deze infrastructuur.

Op dit moment zijn de belangrijkste nationale supercomputers in Europa al verbonden via het netwerk DEISA (Distributed European Infrastructure for Supercomputing Applications)3.

Internationale investeringen in HPC

Hightech-bedrijven in de VS en Europa worden in toenemende mate afhankelijk van overheidsondersteuning van hun R&D. Dit komt vooral doordat investeringen in de research-infrastructuur, met geavanceerde supercomputers en optische netwerken, alleen op lange termijn (10 - 20 jaar) terugverdiend kunnen worden. De snel groeiende economieën in China en Korea kennen al jaren grootschalige publiekprivate samenwerking op dit gebied. Het belang van de HPC-infrastructuur en van geavanceerde kennistechnologie krijgt tegenwoordig daarom in de VS, Japan en de grote landen in Europa veel meer nadruk. Een aantal voorbeelden: • De VS gaf in 2006 meer dan $500 miljoen subsidie aan IBM en Cray om de generatie Petafl ops Supercomputers4 tot ontwikkeling te brengen. De National Science Foundation5 schreef een projecttender uit van $200 miljoen voor de wetenschappelijke inzet van de Petafl op-machines. • Het Department of Energy publiceerde in 2007 zijn tienjaars visie6 op wetenschappelijke innovatievraagstukken. Deze visie omvat enkele miljarden investering in computational science en in Exa-schaal (1000 Pfl op/s) computing.

Ook in Nederland! Kan Nederland niet bij zijn buurlanden terecht om computercapaciteit in te kopen voor de oplossing van wetenschappelijke problemen? Een dergelijke benadering negeert een aantal serieuze langetermijneffecten op onze kenniseconomie: 1 Bij de ontwikkeling van Computational science-toepassingen werken materiedeskundigen, computerspecialisten en informatici nauw samen. Echte samenwerking kan alleen op locatie, in situ. 2 Scholing en training van studenten op gebied van computational science vereist toegang tot HPC-faciliteiten en is van buitengewoon belang voor de beschikbaarheid van gekwalificeerd HPC-personeel en de ontwikkeling van de kenniseconomie in Nederland. 3 Als Nederland eenzijdig supercomputercapaciteit inkoopt in het buitenland, plaatst dat de gebruikers in een ondergeschikte, afhankelijke positie. Dat is strijdig met strategische ambities om in de internationale voorhoede te opereren op het vlak van computational science. 4 Als inkoper van capaciteit heb je aanzienlijk minder invloed op belangrijke keuzes van architectuur, software en beleidzaken die grote impact hebben op de innovatiesnelheid en concurrentiepositie van Nederland. 5 Gebruik door het Nederlandse bedrijfsleven ondervindt een extra barrière als rekentijd in het buitenland ingekocht dient te worden.

13

14

D eze investering maakt het mogelijk om tot revolutionaire benaderingen te komen van de wereldvraagstukken op gebied van energie, duurzaamheid en veiligheid. • Japan investeert circa ¥ 1.2 miljard in het bouwen van een 10 Pfl op/s-systeem. Dit project7 is gericht op het bouwen van de snelste en effi ciëntste supercomputer ter wereld per 2012. • Frankrijk kondigde investeringen aan voor  100 miljoen in de komende vier jaar. Ook Duitsland8, Engeland en Spanje hebben concrete plannen voor Petafl op-systemen. • Ook Finland, Zwitserland en Italië werken aan plannen voor investering in de ontwikkeling van Petafl op-systemen.

De kenniseconomie

Het wetenschappelijk onderzoek, de technologische research en het onderwijs die mogelijk worden gemaakt met geavanceerde HPCvoorzieningen hebben een directe betekenis voor ons concurrentievermogen. Om HPCinvesteringen een langetermijnimpact te geven bij de nationale onderzoeksbehoeften is het noodzakelijk de HPC-faciliteiten in te zetten voor een breed spectrum van wetenschappelijke en technische vraagstukken. We moeten nu al anticiperen op de behoefte van academische en industriële onderzoekers.

Zij moeten rond 2010 - 2011 toegang hebben tot HPC-systemen die: • permanente rekencapaciteit in de Petafl ops range leveren voor uiteenlopende wetenschappelijke en technische toepassingen; • geïntegreerd zijn in een internationale gridomgeving; en • ondersteund worden op nationaal, regionaal en campusniveau. Onderzoeken in Europa9 en de Verenigde Staten10,11 tonen aan dat de hightech-sector een cruciale rol vervult in de nationale economische voorspoed. Het aantal patenten verleend in Korea, India en China zal aan het einde van het decennium groter zal zijn dan in Europa en Japan. De hightech-export vanuit Europa is afgenomen van 43% in 1980 tot 34% in 2001, terwijl die van de opkomende economieën in dezelfde periode steeg van 7% tot 25%. De hightech-sector droeg in de VS tot 2001 bij aan de verbetering van de betalingsbalans van de Amerikaanse economie, maar sinds 2001 is de waarde van de hightech-import in de VS groter dan de hightech-export. Het Ohio Supercomputer Center (OSC) in de VS lanceerde daarom met steun van de federale overheid eind 2005 het Blue Collar Computing initiatief12. Dit initiatief wil het gebruik van HPC-systemen stimuleren om productontwikkeling en innovatie in technische, fi nanciële en maatschappelijke sectoren te ondersteunen.

Het belang van High Performance Computing voor Nederland

Op deze manier werd bijvoorbeeld Proctor & Gamble bewust gemaakt van de mogelijkheden van supercomputing. De fabrikant van Always, Dreft en Pampers gebruikt HPC-systemen en geavanceerde visualisatietechnieken voor de ontwikkeling van toekomstige productgeneraties. Bandenfabrikanten maken ook intensief gebruik van supercomputing bij de ontwikkeling van nieuwe banden. Goodyear zet bijvoorbeeld complexe simulatietechnieken in om het ontwerp en de veiligheid van hun banden te verbeteren. Daarmee kon tegelijk de investering in het bouwen en testen van prototypes verminderd worden van 40% tot nog maar 15% van het totale R&D-budget.

Computational science wordt tegenwoordig toegepast in bijna elke sector, van de traditionele beta- en technische domeinen tot sleutelgebieden als ecologie, klimaat, gezondheid, veiligheid en economische ontwikkeling. Vooruitgang in hardware, software en connectiviteit maken het mogelijk nieuwe rekenmodellen toe te passen en gigantische hoeveelheden experimentele waarnemingen en meetgegevens te analyseren. Hiermee kunnen we vraagstukken aanpakken die voorheen buiten ons voorstellingsvermogen lagen. In deze publicatie komt u een groot aantal voorbeelden tegen van dergelijke vraagstukken; het gaat steeds om concrete en actuele wetenschappelijke uitdagingen op Petascale-niveau vanuit de Nederlandse onderzoekswereld. Om uitdagend en innovatief wetenschappelijk onderzoek te kunnen doen, en daarmee onze concurrentiepositie te versterken, is op bijna elk terrein de inzet van computational science vereist. Dat vraagt signifi cante investeringen in de beschikbaarstelling van een Petascale HPC-infrastructuur, in de ontwikkeling van bijbehorende software en algoritmes, en in de scholing van informatici. Om te zorgen dat de infrastructuur in de pas blijft met de ontwikkelingen van de technologie, zijn bovendien regelmatige upgrades van hardware en software nodig.

15

Topfaciliteiten in Nederland op Petascaleniveau zijn noodzakelijk om een klimaat van wetenschappelijke research en innovatie te creëren, voor samenwerking bij productontwikkeling en voor het opleiden van toekomstige generaties specialisten in computational science. Samenwerking en partnerschap met andere Europese en internationale organisaties is

hierbij belangrijk om schaalgrootte te bewerkstelligen en om nieuwe kansen voor onderzoek en economische groei te benutten. Zo kan Nederland ook in de toekomst een centrum blijven van hoogwaardig, actueel en maatschappelijk relevant onderzoek – het onderzoek waarvan u in deze bundel zulke bijzondere voorbeelden aantreft.

Dr. ir. A. Osseyran, directeur SARA Reken- en Netwerkdiensten

Dr. P.J.C. Aerts, directeur Stichting Nationale Computerfaciliteiten

16

Referenties en literatuur 1

European roadmap for research infrastructures 2006, ESFRI, ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/esfri/docs/esfri-roadmap-report-26092006_en.pdf

2 PRACE: www.prace-project.eu 3 DEISA Digest: Benefi ts of supercomputing, 2008. Zie ook www.deisa.eu 4 www.itworld.com/Comp/1437/061122ibmcray/ 5 Creating a Petascale Computing Environment for Science and Engineering, www.nsf.gov/pubs/2006/nsf06573/nsf06573.html#pgm_intr_txt 6 Simulation and Modeling at the Exascale for Energy, Ecological Sustainability and Global Security,

http://computing.ornl.gov/workshops/town_hall/energy_ecology.pdf

7 www.riken.jp/engn/r-world/research/lab/nsc/index.html 8 www.fz-juelich.de/portal/index.php?index=721&cmd=show&mid=475 9 Third European Report on Science & Technology Indicators 2003, http://cordis.europa.eu/indicators/third_report.htm 10 The knowledge economy, Is the United States losing its Competitive Edge? www.futureofi nnovation.org/PDF/Benchmarks.pdf 11 Science and Engineering indicators 2004, www.nsf.gov/statistics/seind04/ 12 www.bluecollarcomputing.org/

Toponderzoek

18

Een cruciale elektronische factor in de oxidatie van (vervuilende) organische stoffen, de z.g. acceptor orbital op het ferryl ion FeO2+. Deze orbital wordt geactiveerd door de specifieke omringing (‘ligand-omgeving’) die het z.g. EDTA ligand biedt.

Prof. dr. E.J. (Evert Jan) Baerends Vrije Universiteit Amsterdam Onderzoeksgebied Theoretische chemie

Korte beschrijving van het onderzoek

De Theoretische Chemie houdt zich bezig met het voorspellen en begrijpen van de chemie op basis van de fenomenen op atomaire schaal: de bewegingen van atomen en kernen zoals beschreven door de kwantummechanica. Hieruit zijn alle macroscopische eigenschappen van materiële systemen af te leiden, zowel (anorganische) materiaaleigenschappen als het gedrag van zachte gecondenseerde materie. Om dit ambitieuze programma tot stand te brengen zijn grootschalige berekeningen op basis van de Schrödinger-vergelijking of de (relativistische) Dirac-vergelijking nodig. Het gaat om systemen die uit zeer veel elektronen en kernen kunnen bestaan.

Maatschappelijke relevantie/impact

Toepassingen van ons werk vinden plaats op verscheidene maatschappelijk relevante gebieden. Heterogene katalyse (bijv. de autokatalysator) wordt bestudeerd met dynamica van kleine moleculen die botsen met en uiteenvallen op metaaloppervlakken. Oxidatiekatalyse, bijvoorbeeld oxidatie met behulp van waterstofperoxide met behulp van ijzerionen als katalysator, is een voorbeeld van homogene katalyse die direct verband houdt met allerlei industriële blekingsprocessen en met zuivering van afvalwater.

Een deel van ons onderzoek betreft zware elementen als uranium en thorium, waarvoor relativistische effecten in rekening moeten worden gebracht. Dit draagt bij aan de oplossing van het afvalprobleem van kernenergie. Een ander onderzoek betreft de reacties die bij de opbouw van het DNAmolecuul in ons lichaam betrokken zijn, en dragen bij aan inzicht dat fundamenteel kan bijdragen aan bijvoorbeeld kankertherapieën.

Petascale challenge voor de toekomst

Veel van ons werk draait om (zeer) grote systemen. Hetzij het aantal atomen is zeer groot (DNA), hetzij het aantal elektronen per atoom is zeer groot (uranium), hetzij het goed meenemen van de effecten van de omgeving (bijvoorbeeld oplosmiddel, zoals water voor oxidatiekatalyse) leiden tot zeer grote systemen. Grote systemen vragen zeer veel rekentijd, omdat de benodigde rekentijd zeer snel toeneemt (veel sneller dan lineair) met de grootte van het systeem. Hoe meer rekenkracht, hoe realistischer de simulaties worden.

1

20

Een ronde, turbulente straal. Akoestische druk plus vorticiteit, Re=5.000 en Ma=0,9.

Prof. dr. ir. B.J. (Bendiks Jan) Boersma Technische Universiteit Delft Onderzoeksgebied

Turbulence Dynamics, Computational Fluid Dynamics


De (samendrukbare) Navier-Stokes vergelijkingen worden opgelost met behulp van Directe Numerieke Simulatie of Large Eddy simulatietechnieken en high order numerieke methodes. Toepassingen liggen op het terrein van turbulente verbranding, aëroakoestiek en multifase stromingen.


Hogesnelheidstromingen genereren geluid. Een van de bekendste voorbeelden is het lawaai dat wordt veroorzaakt door de straalmotoren van vliegtuigen. Dat lawaai is voor een groot deel toe te schrijven aan de turbulente stroming achter de motor. Computerondersteunde tools waarmee de turbulente stroming en het daardoor veroorzaakte lawaai voorspeld kunnen worden kunnen uiterst nuttig zijn in de ontwerpfase.


De CPU-tijd en het geheugengebruik in turbulente stromingen komen overeen met de derde macht van het Reynoldsgetal. Voor verdubbeling van het Reynoldsgetal is een computer nodig die acht keer groter (sneller) is. Op dit moment hebben de Reynoldsgetallen die we kunnen simuleren een te lage waarde om echt relevante stromingen te bestuderen. Met een Petascale computer zullen we reële problemen kunnen onderzoeken, zoals het lawaai van straalmotoren.

21

22

Antal van den Bosch praat met het publiek na afloop van een lezing voor kinderen over de ‘slimme domme kracht’ van robots en computers, bijvoorbeeld van het vertaalsysteem van Van den Bosch dat, zoals ook het vertaalsysteem van Google, helemaal geen taalkundige kennis bezit van de talen waartussen het vertaalt.

Prof. dr. A.P.J. (Antal) van den Bosch Universiteit van Tilburg Onderzoeksgebied

Computerlinguïstiek (theorie) / taal- en spraaktechnologie (toepassing)


In het Tilburg centre for Creative Computing worden technieken uit de kunstmatige intelligentie, zogenaamde zelfl erende systemen, toegepast op taalverwerkingstaken: vertalen, het uitspreken van tekst, het detecteren van fouten in tekst, het beantwoorden van vragen, en het voeren van dialogen. Zelfl erende systemen leren deze complexe taken door uit te gaan van grote hoeveelheden voorbeelden, zoals verzamelingen van reeds vertaalde teksten.


In de dagelijkse praktijk van zowel kenniswerkers als andere computergebruikers is automatisch ingebouwde taalondersteuning van groot belang voor het ontsluiten van informatie en kennis, bijvoorbeeld als die alleen in een andere taal beschikbaar is dan die de gebruiker kent. Ook voor mensen die een achterstand hebben in het kunnen verwerken van taal zijn automatische hulpmiddelen van groot belang. Sectoren waarin taal- en spraaktechnologie gebruikers grote diensten kunnen verlenen, zijn zorg, onderwijs, veiligheid en media.


De taalverwerkingstaken die zelfl erende systemen te leren krijgen drijven deze technieken tot het uiterste in het gebruik van zowel geheugen als verwerkingscapaciteit. Om een goede vertaalservice te ontwikkelen als die van translate.google.com, is de capaciteit van een supercomputer nodig. Lerende systemen laten zich doorgaans uitstekend parallelliseren, maar wat hun geheugengebruik betreft geldt dat het nooit genoeg is; met een Petascale systeem kan verder getest worden dan nu nog mogelijk is.

23

24

De elektronische bandstructuur van grafeen afgezet op boornitride. De inzet toont een vergroting van de banden rond het K-punt, waar een kloof zichtbaar is.

Prof. dr. J. (Jeroen) van den Brink Universiteit Leiden Onderzoeksgebied

Theoretische vaste stof fysica


Het onderzoek richt zich op het fundamenteel begrip van elektronische eigenschappen van materialen zoals supergeleiding, ferroelektriciteit en magnetisme, door middel van kwantummechanische berekeningen op atomair niveau. Onze focus is met name materialen waarin gecorreleerd, collectief gedrag van elektronen een essentiële rol speelt, zoals koperoxide en ijzer-arseen verbindingen die bij hoge temperatuur supergeleiden, mangaanoxiden met kolossale magnetoweerstand en bepaalde stroomgeleidende plastics.


Een fundamenteel begrip van de elektronische structuur en eigenschappen van materialen is buitengewoon waardevol om tot toepassingen van nieuwe materialen te komen.


Ferro-elektrische materialen worden veelvuldig toegepast in moderne micro-elektronica, bijvoorbeeld in RAM-geheugens en elektromechansiche sensoren. De toegepaste ferro-elektrica zijn tot zo ver anorganisch. Recent is de speurtocht naar organische, plastic ferro-elektrische materialen ingezet. Een voordeel is dat zij fl exibel zijn en in principe geïntegreerd kunnen worden met biologisch weefsel. Ons doel is te berekenen hoe sterk de intrinsieke ferro-elektrische polarisatie van veelbelovende organische verbindingen is. Omdat de moleculaire structuren in kwestie zeer complex en omvangrijk zijn, is daarvoor grote rekenkracht vereist.

25

26

[Ni4O18]24--cluster, omgeven door 18 Y3+ en 16 Ni3+ positieve ionen (die met behulp van daarmee corresponderende potentialen worden beschreven) en ingesloten in puntladingen. Dit geheel vormt een klein deel van het ab-vlak van een YNiO3-kristal.

Voor dit embedded cluster worden kwantumchemische CASSCF-berekeningen uitgevoerd om ladingsdisproportionering in YNiO3-kristallen te bestuderen. Aymeric Sadoc, Coen de Graaf en Ria Broer, in voorbereiding. Theoretische Scheikunde, Zernike Institute for Advanced Materials, Universiteit Groningen.

Prof. dr. R. (Ria) Broer Rijksuniversiteit Groningen Onderzoeksgebied Theoretische Chemie


Mijn onderzoek gaat zich de komende jaren concentreren op het voorspellen van elektronische en magnetische eigenschappen van overgangsmetaalverbindingen. Deze eigenschappen hangen sterk af van structuur en samenstelling van de materialen. Theoretisch chemisch onderzoek is een noodzakelijke schakel bij het begrijpen van de eigenschappen en het ontwerpen van nieuwe materialen. Dit werk wordt gedaan in nauwe samenwerking met experimentele groepen, vooral binnen het Groningse Zernike Instituut, maar ook daarbuiten. De eigenschappen die deze verbindingen interessant maken zorgen er ook voor dat ze niet beschreven kunnen worden met de gebruikelijke kwantumchemische rekenmethoden. In mijn groep is een nieuwe methode ontwikkeld die wel geschikt is. We hebben al laten zien dat deze nieuwe aanpak, die gebaseerd is op een veel-elektron bandenmodel, werkt: onze berekeningen blijken inderdaad voorspellende waarde te hebben.


De verbindingen waaraan wij onderzoek doen zijn technologisch interessant, in verband met bijvoorbeeld optisch aangedreven schakelingen, transport van data en energie en miniaturisering van data-opslag.


De nieuwe methode is veel rekenintensiever dan de standaard aanpakken, zowel wat betreft rekentijd als geheugen, maar om werkelijke vooruitgang te boeken kunnen we niet anders dan deze weg kiezen. Het staat buiten kijf dat dit onderzoek alleen kan worden uitgevoerd als we in Nederland de beschikking hebben over een Topfaciliteit voor Computational Research.

27

Onderzoeksgebied Theoretische Chemie


28

Mijn onderzoek gaat zich de komende jaren concentreren op het voorspellen van elektro-nische en magnetische eigenschappen van overgangsmetaalverbindingen. Deze eigenschappen hangen sterk af van structuur en samenstelling van de materialen. Theoretisch chemisch onderzoek is een noodzakelijke schakel bij het begrijpen van de eigenschappen en het ontwerpen van nieuwe materialen. Dit werk wordt gedaan in nauwe samenwerking met experimentele groepen, vooral binnen het Groningse Zernike Instituut, maar ook daar-buiten. De eigenschappen die deze verbindingen interessant maken zorgen er ook voor dat ze niet beschreven kunnen worden met de gebruikelijke kwantum-chemische reken-methoden. In mijn groep is een nieuwe methode ontwikkeld die wel geschikt is. We hebben al laten zien dat deze nieuwe aanpak, die gebaseerd is op een veel-elektron bandenmodel, werkt: onze berekeningen blijken inderdaad voorspellende waarde te hebben.

Een satellietopname van algenconcentraties in de Stille Oceaan nabij San Francisco. De rode kleur nabij de kust (rechts in de figuur) geeft hoge algenconcentraties weer en de blauwe tinten geven lage algenconcentraties weer. Ver van de kust zijn algen nagenoeg afwezig. De kleurschakeringen geven goed de langgerekte filamenten en de ronde wervelstructuren weer en visualiseren daarmee mooi de stromingspatronen aan het oceaanoppervlak.

Prof. dr. H.J.H. (Herman) Clercx Technische Universiteit Eindhoven Onderzoeksgebied Stromingsleer


Eén van de speerpunten in het internationale turbulentieonderzoek betreft het dynamische gedrag van deeltjes (zoals bellen, druppels, poeders) met traagheid, grootte en vorm in turbulente stromingen. Een homogene deeltjesverdeling zal door toedoen van de turbulente stroming spontane ontmenging kunnen vertonen. Er ontstaan dan gebieden waar deeltjes samenklonteren, en gebieden waar deeltjes slechts in relatief lage concentratie voor zullen komen. Naast de simulatie van de turbulente stroming zelf zullen de kosten van dit soort berekeningen lineair schalen met het aantal deeltjes (N).


Hierop voortbouwend zijn er voor de nabije toekomst vele nieuwe uitdagingen: De groei van druppels in turbulente stromingen waarbij botsingen tussen druppels, het samengaan of opbreken van druppels en faseovergangen een belangrijke rol zullen spelen. Hierbij kan gedacht worden aan de fysica van wolkenvorming (met name de verschijnselen op microschaal), maar ook aan bepaalde industriële verbrandingsprocessen.

Een heel ander voorbeeld, maar met direct belang voor onder meer de economie (visserij, toerisme) en de volksgezondheid, betreft de grootschalige verspreiding en samenklontering van algen in meren en kustzeeën. Bij deze processen spelen grootschalige geofysische stromingen, turbulentie en gemiddelde temperatuur- of zoutgradiënten een belangrijke rol.


In deze voorbeelden schaalt de botsingswaarschijnlijkheid en het al dan niet samengaan van deeltjes in turbulente stromingen met N2. Dat vereist voor simulaties zowel slimme algoritmes en zeer snelle computers. Het beantwoorden van wetenschappelijke vragen waarbij botsingen van deeltjes in turbulente stromingen centraal staan is urgent. Het gebruik van geavanceerde computercodes en rekenfaciliteiten is daarbij onontbeerlijk.

2

30

Prof. dr. ir. H.A. (Henk) Dijkstra Universiteit Utrecht Onderzoeksgebied

Dynamische Oceanografi e / Klimaatdynamica


Een van de grote onzekerheden in het klimaatonderzoek is het gedrag van de Atlantische oceaancirculatie in de komende 100 jaar. Er zijn aanwijzingen dat de stromingen binnen de komende decaden sterk kunnen veranderen met als gevolg een sterke reductie in het meridionale warmtetransport. Mijn onderzoek richt zich op het begrijpen van de fysische processen die de ontwikkeling van de Atlantische oceaancirculatie bepalen.


Snelle veranderingen in de Atlantische oceaancirculatie kunnen een groot effect hebben op het klimaat in grote delen van West-Europa en daarmee op de natuurlijke en maatschappelijke systemen aldaar. Het begrijpen en voorspellen van de ontwikkeling van de oceaancirculatie voor de komende decaden is daarmee essentieel voor het ontwikkelen van goede adaptatiestrategieën met betrekking tot klimaatverandering.


Mijn grote uitdaging is het berekenen van de ontwikkeling van de globale oceaancirculatie op een termijn van 100 jaar met behulp van een gekoppeld oceaan-atmosfeermodel waarbij het oceaan-model een zodanige resolutie heeft dat de mesoschaal wervels en hun interactie goed worden gerepresenteerd.

31

Twee negatieve streamers in stikstof bij atmosferische druk die zich neerwaarts ontwikkelen en elkaar afstoten; de figuur toont de oppervlakken van constante elektrondichtheid in een gevorderde ontwikkelingsfase met een constant achtergrondveld. Gepubliceerd in A. Luque, U. Ebert, and W. Hundsdorfer, Phys. Rev. Lett. 101, 075005 (2008), en ook in Nature genoemd. http://homepages.cwi.nl/~ebert/Nature08.pdf

32

De veelschalige uitdaging: Poissonvergelijking overal oplossen.

Dichtheden in geïoniseerd gebied oplossen.

Steile gradienten met grote nauwkeurigheid oplossen. Dit alles binnen het beschikbare computergeheugen.

Overzicht van de inherente schaal van een zich voortplantende streamer.

Prof. dr. U.M. (Ute) Ebert CWI Amsterdam en Technische Universiteit Eindhoven Onderzoeksgebied

De multiscale structuur van vonken en bliksem


De elektrische ontlading is eenvoudig op te wekken en algemeen bekend van vonken en bliksem in onze leefomgeving, maar ze wordt gekenmerkt door een extreme veelvoud van lengte en tijdschalen. De eerste fase is de ‘streamer’-ontlading, die leidt tot een zelffocussering van elektrische krachten aan de kop van de lopende ontlading en tot de opbouw van een exotisch plasma in de streamerkop ver van evenwicht; ze lijkt wel op een zelfgegenereerde plasmareactor. De energieomzet van een elektrische puls in scheikundige en andere producten is extreem effi ciënt.


Daarom heeft de streamer-ontlading veelvoudige toepassingen in de energie-, milieu- en andere techniek, beginnend van de bougies in onze auto’s via energiebesparende lampen en desinfectie tot aan toepassingen in de verbrandingscontrole in energiecentrales, afscheiding van nanodeeltjes en plasmacontrol van de luchtwervels boven vliegtuigvleugels. Maar ze kan ook de verklaring zijn voor gamma-ray fl ashes uit onweerswolken en bliksemschichten – onverklaarde gamma-ray fl ashes zijn er niet alleen in het heelal, maar ook op onze eigen aarde!


Streamer-ontladingen treden vaak met duizenden tegelijk op en wisselwerken dynamisch met elkaar in 3D. Ze zijn millimeters dik en hebben een ingewikkelde inwendige structuur. In kleine gebieden in de streamerkoppen moet de dynamica van enkele elektronen gevolgd worden en de scheikunde, die ze tot stand brengen. Het is duidelijk, dat dit probleem alleen te pakken is door de combinatie van slimme aanpak, modelreductie en grootschalige berekeningen van de resulterende gereduceerde modellen. We stellen daarom een Nederlands Petascale systeem zeer op prijs.

33

34

Prof. dr. C. (Claudia) Filippi Universiteit Leiden Onderzoeksgebied

Theorie van elektronenstructuren


Binnen mijn onderzoeksgebied, de theorie van elektronenstructuren, richt ik me op de methodologische ontwikkeling van nauwkeurige benaderingen voor onderzoek naar de elektroneneigenschappen van materialen. Momenteel ben ik met name geïnteresseerd in de beschrijving van foto-excitatieprocessen in biologische systemen, waarvoor de beschikbare numerieke technieken slechts beperkt toepasbaar lijken te zijn. Meer inzicht in de primaire excitatieprocessen in fotobiologische systemen is niet alleen van belang vanuit het oogpunt van fundamenteel onderzoek, maar ook voor bestaande en potentiële toepassingen op het gebied van biologie, biotechnologie en de ontwikkeling van hulpmiddelen voor kunstmatige fotosynthese.


Het uiteindelijke doel van mijn onderzoek is te komen tot nauwkeurige theoretische en numerieke tools waarmee onderzoekers op basis van de grondbeginselen het bestaan van nieuwe materialen en moleculen met specifi eke structuur- en elektroneneigenschappen kunnen voorspellen.

35

36

Aggregatie van membraanstructuren.

Prof. dr. ir. J.G.E.M. (Hans) Fraaije & dr. G.J.A. (Agur) Sevink

Universiteit Leiden Onderzoeksgebied

De thermodynamica van zachte materie


Onze groep gebruikt modellen en grootschalige simulaties om zachte nanosystemen op een schaal van 1 to 100 nm beter te begrijpen. De nadruk ligt op block copolymeren en hybride composiet materialen, in zowel fundamentele (Mesodyn), als industrieel relevante context (Culgi). Bij industriële toepassingen gaat het om het ontwerpen van nieuwe materialen, bijvoorbeeld nieuwe zonnecellen, groene zepen of kunstoffen voor minder zware auto’s. Recent ontwikkelde methoden brengen ook de biologische zachte materie binnen bereik. In het bijzonder richten we ons op het incorporeren van verschillende tijd- en lengteschalen in heterogene systemen, met als belangrijkste toepassing het modelleren van uiterst complexe mesoscope biologische systemen, zoals chloroplasten.


Zachte hybride materialen zijn uitstekend geschikt om technologische uitdagingen zoals miniaturisatie en multi-functionaliteit het hoofd te bieden. Tegelijkertijd vereist assemblage op industriële of biologische schaal controle van alle factoren die aan de eigenschappen van het materiaal ten grondslag liggen. In biologische zachte materie vallen veel dynamische processen buiten de experimentele resolutie.


Onze Petascale uitdaging is het modelleren van de dynamica in een heterogene mesoscope biologische structuur, zoals een chloroplast. Een complete studie vereist een groot aantal simulaties voor het bepalen van de relevante variabelen. In een model voor een chloroplast met grootte 1-10 µm, dat is gediscretiseerd op een grid met resolutie 1-10 nm, correspondeert elke tijdstap met het oplossen van O(1010) ruimtelijk gekoppelde PDE’s. Dit is een enorme uitdaging voor Petaschaal simulaties, maar zou, bij gebleken succes, een reusachtige stap voorwaarts betekenen voor ons begrip van de levende natuur.

37

38

Voorspelling van de verspreiding van een cluster van interagerende deeltjes in een turbulente stroming zoals in procesindustrie wordt toegepast. De spontane vorming van grootschalige clusters ontstaat door inelastische botsingen tussen de ongeveer 1 miljoen deeltjes. Het vervolgens uiteenvallen van dergelijke clusters geeft de interactie met de onderliggende turbulente menging weer. In deze simulatie van een verticale riser-stroming zijn de Navier-Stokes vergelijkingen op een zeer fijn rooster gesimuleerd, in combinatie met het nauwkeurig volgen van de deeltjesbanen, inclusief de onderlinge botsingen tussen de deeltjes.

Prof. dr. ir. B.J. (Bernard) Geurts Universiteit Twente Onderzoeksgebied Stromingsleer


Op het gebied van turbulente stromingsberekeningen speelt een supercomputer een centrale rol. De ontwikkelingen in afgelopen jaren maken een stap naar het precies voorspellen van de verspreiding van vervuilende stoffen in de lucht en in het water mogelijk. Deze kunnen een sterke acute belasting vormen als gevolg van bijvoorbeeld een industriële ramp, of een verhoogd, steeds aanwezig risico leveren in stedelijke gebieden.


Met een omvattende computermodellering kan een waardevolle bijdrage worden geleverd aan het verbeteren van het leefklimaat in Nederland, alsmede een bijdrage aan de hoogwaardige kennisindustrie in ons land. Daarnaast zijn er meer en meer technologische ontwerpproblemen waarbij kennis van turbulente stroming essentieel is om te komen tot ontwerpen die beter omgaan met schaarse grondstoffen en energie. Computermodellen dragen bij aan optimalisatie van ontwerpen op een niveau dat tot voor kort niet mogelijk was en talloze nieuwe kansen geeft aan de Nederlandse industrie.


Het voorspellen van de dispersie van vervuilende stoffen in de atmosferische grenslaag over een stedelijk landschap met een gedetailleerde weergave van de precieze stedelijke structuren kan tegenwoordig worden overwogen op basis van grootschalige simulaties. Daartoe dient niet alleen de lokale stroming op een schaal van 10 m te worden verdisconteerd maar ook de wijdere omgeving. Dit vereist een nauwkeurige nesting van modellen die een consistente weergave van de onderliggende fysische verschijnselen mogelijk maken. Bovendien dient de actuele meteorologische conditie te worden opgenomen via moderne dataassimilatie technieken. Met een dergelijke simulatie kan de haalbaarheid van het voorspellen van turbulent transport over stedelijke gebieden worden onderzocht en op termijn een belangrijke bijdrage worden gegeven aan een gezonder en veiliger leefmilieu.

3

40

Op Rijnhuizen wordt Magnum-psi gebouwd, een opstelling waarmee plasma wand wisselwerking onder ITER relevante omstandigheden zal worden bestudeerd. Door de lage druk moet de gasflow worden gesimuleerd door moleculen op hun weg door de machine te volgen (Monte Carlo simulatie). De figuur toont het resultaat van een dergelijke berekening, namelijk de gasdruk en het stromingspatroon. Magnum-psi is een systeem met drie secties, links is de plasmabron, rechts het substraat. Dit soort simulaties wordt extreem rekenintensief wanneer alle aspecten van het plasma worden meegenomen.

Prof. dr. W. J. (Wim) Goedheer FOM-Instituut voor Plasmafysica en Universiteit Utrecht Onderzoeksgebied Plasmafysica


Plasmafysica is een vakgebied dat met recht ‘multi-scale physics’ mag heten. In ITER spelen verschijnselen zich af in een randlaag van millimeters van een brandend plasma van 1000 m3 en gebeurtenissen die veel korter duren dan een milliseconde bepalen mede het gedrag van dit minutenlang bestaande plasma. In energie worden zeven decaden bestreken, gaande van het koude plasma aan de wand tot de heliumkernen die in het fusieproces worden geproduceerd. Simulaties van een dergelijk plasma zijn dan ook alleen mogelijk wanneer er een hoogwaardige ICT-infrastructuur voorhanden is.


Fusiereactoren kunnen in de toekomst voorzien in een belangrijk deel van onze elektriciteitsproductie. Bij de opwekking wordt geen CO2 geproduceerd en de geïnduceerde radioactiviteit is ordes van grootte lager dan bij splijtingsreactoren.


Veel ontwikkeling is nog nodig met betrekking tot de koppeling van modellen voor diverse aspecten van het plasma. Vaak zijn dit zeer rekenintensieve kinetische modellen, waarmee het plasma op het niveau van de samenstellende deeltjes wordt gesimuleerd. Terecht waren plasmasimulaties opgenomen in het NWO-prioriteitsprogramma Computational Science.

41

42

Prof. dr. M.A.M. (Martien) Groenen Wageningen Universiteit en Researchcentrum Onderzoeksgebied

Levenswetenschappen, Genomica


Ons onderzoek richt zich op het in kaart brengen en begrijpen van de werking van het genoom van dieren. Onze primaire aandacht gaat daarbij uit naar landbouwhuisdieren, zoals kip, varken, rund en kalkoen. Daarnaast doen we binnen diverse samenwerkingsprojecten genetisch onderzoek aan andere soorten zoals bijvoorbeeld de koolmees. Als gevolg van nieuwe technologieën, zoals tweede generatie sequentietechnologie en ‘whole genome association’ studies, transformeert het genoomonderzoek zich steeds verder tot een informatiewetenschap waarbij supercomputers niet meer weg te denken zijn. Voor een internationaal sterke positie van genoomonderzoek en bioinformatica in Nederland, is toegang tot supercomputerfaciliteiten dan ook essentieel.


Inzicht en kennis omtrent de werking en interactie van alle genen binnen een genoom is van uitermate groot belang voor verdere veredeling van landbouwhuisdieren. De nadruk binnen ons onderzoek ligt daarbij op ziekteresistentie, welzijn en gedragskenmerken. Daarnaast draagt het genoomonderzoek aan deze dieren bij tot een beter inzicht in de werking van evolutionaire processen, en draagt het vergroten van onze kennis over de genen bij deze diersoorten ook bij aan het vergroten van onze kennis omtrent de werking van het genoom van de mens.


Een trend die zich binnen de genomica aftekent, is het in toenemende mate beschikbaar komen van gehele genoomsequenties voor alle denkbare species en zelfs van meerdere individuen binnen een soort. Het ‘1000 human genomes’-initiatief is daarvan een goed voorbeeld. Deze trend zal zich in de toekomst doorzetten naar andere soorten. De benodigde rekenkracht en computergeheugen binnen het genoomonderzoek zal daarom exponentieel blijven stijgen. De toename in de hoeveelheid genoomdata is momenteel zelfs vele malen groter dan de toename in rekenkracht.

43

44

Tweefase stroming in poreuze media; grafische weergave van capillaire druk/verzadigingsbereik.

Prof. dr. ir. S.M. (Majid) Hassanizadeh Universiteit Utrecht Onderzoeksgebied

Stroming en transport in poreuze media


Ons onderzoek heeft betrekking op de stroming van meerdere, een of meer stoffen bevattende vloeistoffen door een poreus medium. Bij modellering van de stroming van meerdere vloeistoffen treden elkaar beïnvloedende, niet-lineaire processen op; deze worden op verschillende niveaus (porie, kolom, fi eld) bestudeerd. Als de vloeistoffen niet zuiver zijn en een of meerdere stoffen bevatten, treedt vaak massatransport van deze stoffen tussen de vloeistoffen op. Dit resulteert in vloeistofeigenschappen die van invloed zijn op de stroming, hetgeen weer gevolgen heeft voor het massatransport. Er is dus sprake van een hoge mate van onderlinge beïnvloeding en niet-lineariteit.


Poreuze media komen in tal van – zowel kunstmatige als natuurlijke – systemen voor. Bij veel industriële processen spelen multifase stromingen en transport in poreuze media een rol. De voorbeelden zijn legio: brandstofcelprocessen, drogen van papierpulp, voedselproductie en -veiligheid, fi ltratieprocessen, beton- en keramiektoepassingen, vochtabsorberende producten, textielproducten, verdrogingprocessen, polymeerverbindingen en wasmiddelen in de vorm van tabletten.

De bekendste natuurlijke poreuze media waarbij sprake is van multifase stromingen en transport zijn bodems, waterhoudende grondlagen en bassins. Dergelijke processen komen echter ook voor bij biologische weefsels en planten. Verder komt er steeds meer aandacht voor de biomechanische aspecten van poreuze weefsels, kunstmatig gekweekt levend weefsel en de toediening van medicijnen op basis van tissue engineering.


We moeten een aantal (meer dan drie) sterk met elkaar samenhangende niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen oplossen. Daarvoor zijn vaak zeer veel numerieke gridcellen nodig. Een simulatie met standaard computers kan wel een week duren. Petascale computers maken het mogelijk simulaties binnen een redelijke tijd (circa 1 uur) uit te voeren.

45

46

Prof. dr. H.J. (Jaap) van den Herik Universiteit van Tilburg Onderzoeksgebied

Informatica - Kunstmatige Intelligentie


In het onderzoek GoForGo zijn we de uitdaging aangegaan om een intelligente Go-speler te ontwerpen die op wereldkampioensniveau speelt. Tot voor kort leek dit onbegonnen werk omdat Go andere eisen stelt dan schaken. De komst van de nieuwe techniek UCT en de adequate toepassing van Monte Carlo Tree Search hebben de opinie over de toekomst van computer Go drastisch gewijzigd. Op 9x9 borden speelt het beste programma gelijk op met de menselijke wereldtop. De uitdaging ligt bij de 19x19 borden. Daar kan alleen succes behaald worden door gebruikmaking van een supercomputer.


Het zoeken naar de fundamenten van intelligent gedrag is het uitgangspunt van ons onderzoek. Sinds Kasparov verslagen is door Deep Blue (1997) is de onderzoeksaandacht verschoven naar Go. Dit oosterse spel herbergt veel geheimen en de beoefenaars hebben iets fascinerends. Wat is er wetenschappelijk gezien mooier om diep door te dringen in deze wereld en de principes van spelen op wereldkampioensniveau te achterhalen?


Een Petafl op systeem geeft meer kracht aan het Monte Carlo Tree Search Process terwijl het UCT algoritme dan een betere balans kan vinden tussen Exploratie en Exploitatie, dat wil zeggen er is meer ruimte voor exploratie met als mogelijk gevolg het ontdekken van nieuwe strategieën.

47

48

Momentopname van de doorsnede van een gasstroming waarbij een ster een supersone equatoriale ring van gas uitstoot die tegen de binnenkant van een accretieschijf botst. Rood is de gasdichtheid, groen de gasdruk, en blauw de absolute waarde van de snelheid.

Prof. dr. V. (Vincent) Icke Universiteit Leiden Onderzoeksgebied

Kosmologie en stralings-gasdynamica


Zowel aan het begin als aan het eind van het leven van een ster vindt een heftige interactie plaats tussen het gas dat de ster uitstoot of opvangt, en het gas in de omgeving. Doel van het onderzoek is om die vroege en late fasen uit het leven van een ster beter te begrijpen.

Maatschappelijke relevantie/impact Dit onderzoek zou je ruwweg kunnen samenvatten met ‘meteorologie van het Heelal’. Precies dezelfde natuurkunde en rekenmethoden zijn bruikbaar (zij het dan ook minder extreem) op Aarde.


Hetzelfde doen, maar nu met compleet stralingstransport. In deze fasen van sterren is de uitwisseling van energie en impuls door straling van het grootste belang. Stralingstransport is een zevendimensionaal probleem wat CPU en geheugenruimte vreet. Met onze nieuwe Voronoi-Delaunay triangulatiemethoden, vervat in de computercode SimpleX, kunnen we dit probleem aanpakken.

4

50 Deel van een grafeenlaag waarop thermaal opgewekte golfjes te zien zijn, verkregen via Monte Carlo-simulatie (Fasolino A., Los J. H., Katsnelson M. I. Nat. Mater. 6, 858 (2007)).

Prof. dr. M.I. (Mikhail) Katsnelson Radboud Universiteit Nijmegen Onderzoeksgebied

Theorie van gecondenseerde materie


Ons onderzoek concentreert zich momenteel vooral op grafeen, een nieuwe allotroop van koolstof die nog niet zo lang geleden ontdekt is. Grafeen is het eerste echt tweedimensionale kristal (het is een membraan met een dikte van slechts één atoom) en is daarom van zeer groot belang voor materiaalonderzoek en statistische fysica. Verder kunnen dankzij de bijzondere aard van het spectrum van elektronenergie in grafeen (massaloze Dirac fermionen) nieuwe, onvermoede relaties tussen de natuurkundige wereld om ons heen en de deeltjesfysica gelegd worden. Je zou grafeen dan ook een ‘CERN voor op het bureau’ kunnen noemen. Sommige ongewone verschijnselen die via deeltjesversnellers niet of nauwelijks nagebootst kunnen worden, kunnen in grafeen goed bestudeerd worden (Klein-paradox, vacuümreconstructie via elektrische ontladingen in superkritische omstandigheden, enz.).


Grafeen is geheel vlak en kenmerkt zich door een zeer hoge elektronenmobiliteit. Het wordt dan ook gezien als een veelbelovend materiaal voor de elektronica van de toekomst.


Voor simulaties van de mechanische, thermale en structuureigenschappen van grafeen en voor het theoretisch onderzoek naar de chemische functionalisatie ervan met het oog op de afl eiding van nieuwe tweedimensionale materialen met bepaalde gewenste eigenschappen moet gewerkt worden met zeer grote eenheidscellen (duizenden miljoenen atomen) om het onregelmatige long wave-gedrag vast te leggen. We zullen gebruik maken van parallelle codes voor zowel fundamentele berekeningen van de elektronenstructuur als berekeningen op basis van atomistische Monte Carlo-technieken en moleculaire dynamica.

51

52 Structuur van een laag grafeen op een metaaloppervlak.

Prof. dr. P.J. (Paul) Kelly Universiteit Twente Onderzoeksgebied Nanoscience


Studie van de relatie tussen de chemische samenstelling, de atomaire structuur en de fysische eigenschappen van complexe hybride structuren op nanoschaal met behulp van kwantummechanische berekeningen, om zodoende nieuwe materialen, structuren en devices met betere eigenschappen te kunnen voorspellen.


We werken aan onderwerpen zoals: spin transport, die economisch van groot belang is in verband met magnetische opslag en vorig jaar werd beloond met de toekenning van de Nobelprijs aan de uitvinders van het reuze magnetoweerstandseffect; nieuwe legeringen voor waterstofopslag; metaal-organische grensvlakken in verband met lichtemissie; grafeen dat mogelijkheden biedt voor nieuwe elektronica enz.

53

54

Lineaire trends in massaveranderingen (links) en hoogteveranderingen (rechts) boven de Zuidpool voor de periode maart 2003 t/m maart 2007. De massaveranderingen resulteren uit de analyse van metingen van NASA’s zwaartekrachtsatelliet GRACE; de hoogteveranderingen uit de analyse van metingen van ESA’s aardobservatiesatelliet ENVISAT. GRACE metingen werden met behulp van een hiervoor door DEOS ontwikkelde methode op de supercomputerfaciliteiten van SARA verwerkt. De analyse van de ENVISAT gegevens gebeurde door het Center of Space Research, University of Texas at Austin. Een negatieve trend is een gevolg van het smelten van ijs, een positieve trend een gevolg van accumulatie van sneeuw; het massaverlies overweegt.

Prof. Dr.-Ing. habil. R. (Roland) Klees Technische Universiteit Delft Onderzoeksgebied

Aardobservatie en Ruimtevaartsystemen


In het kader van het onderzoekprogramma Aardobservatie en Ruimtevaartsystemen verricht DEOS onderzoek naar massatransportprocessen in het systeem Aarde, die gekoppeld zijn aan globale klimaatveranderingen zoals het smelten van polaire ijskappen, zeespiegelveranderingen en droogte en overstromingen in grote stromingsgebieden. Een van de grootste problemen daarbij is deze veranderingen nauwkeurig te kwantifi ceren. Een doorbraak werd recentelijk bereikt door satelliet zwaartekrachtmetingen te analyseren en de resultaten te combineren met metingen van andere satellieten. Het onderzoek richt zich daarbij op de ontwikkeling van algoritmen voor de verwerking van de meetgegevens en de combinatie van de satellietwaarnemingen met fysische modellen. Het uiteindelijke doel is de ontwikkeling van betere modellen voor diverse processen, die door klimaatveranderingen worden veroorzaakt.


Globale klimaatveranderingen komen tot uitdrukking in massatransportprocessen in het systeem Aarde. Het kwantifi ceren van deze processen levert de nodige informatie om fysische modellen te valideren en te verbeteren met als doel de betrouwbaarheid van voorspellingen op basis van deze modellen te verhogen.


Voor het kwantifi ceren van klimaatrelevante processen moeten meetgegevens van meerdere satellietsensoren worden verwerkt. De combinatie van technologische vooruitgang, hoge eisen qua resolutie in ruimte en tijd en betrouwbaarheid van de verstrekte informatie en de complexiteit van de onderliggende fysische processen leidt tot grootschalige rekentechnische problemen, die alleen met behulp van krachtige supercomputerfaciliteiten kunnen worden opgelost. Zonder investeringen in de modernste supercomputerfaciliteiten zal het niet mogelijk zijn de gegevens van de volgende generatie van aardobservatiesatellieten te exploiteren

55

56

Prof. dr. ir. C.R. (Chris) Kleijn

Technische Universiteit Delft Onderzoeksgebied Stromingsleer


Het numeriek simuleren van gas- en vloeistof stromingen is van eminent belang in het ontwerp en de optimalisatie van chemische processen, energieomzettingsprocessen, materiaalbewerkingsprocessen, schepen, automobielen en vliegtuigen, waterwerken, enz. Numerieke stromingssimulaties, gebaseerd op het numeriek oplossen van de Navier-Stokes vergelijkingen vergen zeer krachtige computers.


Drie thema’s zijn van groot belang voor een duurzame toekomst: water, milieu, energie. In elk van deze thema’s speelt de stromingsleer (stroming van gassen en vloeistoffen) een eminente rol.


De ontwikkeling van de computerkracht in de afgelopen decennia (Moore’s law) extrapolerend naar de toekomst, kan aangetoond worden dat het nog enige decennia zal duren voordat we in staat zijn de Navier-Stokes vergelijkingen voor realistische problemen op te lossen met voldoende temporele en spatiële resolutie. Voor de verdere ontwikkeling van het vakgebied blijft de beschikbaarheid van state-of-the-art supercomputers daarom essentieel.

57

58

Prof. dr. ir. B. (Barry) Koren

CWI Amsterdam, Technische Universiteit Delft en Universiteit Leiden Onderzoeksgebied

Numerieke stromingsleer


Ontwikkeling van geavanceerde rekenmethoden voor de simulatie van gas- en vloeistofstromingen in industriële toepassingen (luchtstroming om auto’s en vliegtuigen, waterstroming om schepen, enz.). Aan de auto op de foto, de Spyker C8 Spyder (sportauto van Nederlands ontwerp en fabrikaat), heb ik met studenten belangrijke aerodynamische berekeningen uitgevoerd.


Computersimulatie maakt het mogelijk om technische problemen te bestuderen en op te lossen, waarvoor experimenteel onderzoek technisch moeilijk, duur, gevaarlijk, of eenvoudigweg onmogelijk is. Omdat er nog geen eind in zicht is aan de groei van zowel computers als rekenmethoden, zijn de potentiële mogelijkheden van computersimulatie enorm.


Gedetailleerde 3D, tijdsafhankelijke simulatie van: • de aerodynamica van windturbineparken (samen met het ECN), • de magnetohydrodynamica van het plasma in ITER (kernfusiereactor, samen met FOMRijnhuizen).

5

60

Vergelijking berekende diffractiewaarschijnlijkheden (curves) met experimenteel gemeten waardes (symbolen) voor verstrooiing van H2 aan Pt(111), voor de [11-2] en de [10-1] invalsrichting. Uit: P. Nieto et al., Science 312, 86, 2006 (publicatie van o.a. onze groep in Science).

Prof. dr. G.J. (Geert-Jan) Kroes Universiteit Leiden Onderzoeksgebied

Kwantumdynamica van chemische reacties aan oppervlakken

Korte beschrijving van het onderzoek Het doel van de groep is te komen tot kwantitatieve voorspellingen van reactiesnelheden en reactiewaarschijnlijkheden, voor chemische reacties op oppervlakken. Daarbij wordt gebruik gemaakt van kwantumdynamica, en van potentiële energieoppervlakken die berekend zijn met behulp van elektronenstructuurmethoden.


Het vermogen om kwantitatieve voorspellingen te doen voor snelheden van chemische reacties op oppervlakken is van belang voor o.a. heterogene katalyse, en productie en opslag van waterstof. Heterogene katalyse speelt een belangrijke rol bij de productie van meer dan 90% van door mensen gemaakte chemische stoffen. Productie en opslag van waterstof zijn nodig in de waterstofeconomie, waarin uitstoot van CO2 vermeden kan worden.


Het doen van voorspellende berekeningen voor de dissociatieve chemisorptie van methaan op een nikkeloppervlak met behulp van kwantum dynamicaberekeningen, met meenemen van alle moleculaire vrijheidsgraden van methaan. De dissociatieve chemisorptie van methaan op nikkel is de snelheidsbepalende reactie in het zogenaamde ‘steamreforming’-proces, waarmee nu waterstof op commerciële wijze gemaakt wordt.

61

62

Opname van een front tracking stromingssimulatie van een bi-disperse verzameling bellen. Rond de grote bel (met een diamater van 4 mm) bevinden zich 20 kleine bellen. Het volume van de grote bel is 20 keer hoger dan dat van de kleine bellen.

Prof. dr. ir. J.A.M. (Hans) Kuipers

Universiteit Twente Onderzoeksgebied

Fundamentals of Chemical Reaction Engineering (FCRE)


De onderzoeksgroep FCRE neemt o.a. deel in de OnderzoekSchool ProcesTechnologie (OSPT) en het J.M. Burgerscentrum voor stromingsleer en richt zich op de grondbeginselen binnen het vakgebied Chemical Reaction Engineering. Het belangrijkste aandachtsgebied is de kwantitatieve beschrijving van transportverschijnselen (waaronder vloeistofstroming) en de interactie met fysische en/of chemische processen in meerfasen reactoren. Kennisuitbreiding op dit gebied en de ontwikkeling van nieuwe reactormodellen met een groter voorspellend vermogen voor deze industrieel belangrijke categorie van reactoren vormen belangrijke doelen van ons onderzoek.


Onze output bestaat vooral uit fundamentele modellen voor Computational Fluid Dynamics en experimentele technieken voor vloeistofdynamica. Deze kunnen toegepast worden om meer inzicht te krijgen in de vloeistofdynamica en de daaraan gekoppelde massa- en warmteoverdrachtprocessen in meerfasen reactoren die veelvuldig worden toegepast in grootschalige productieprocessen.


We streven ernaar met een Petascale systeem te komen tot een volledig opgeloste simulatie van meerfasen stroming (stromingen met bellen of granulaire stromingen) met de kleinste details in de orde van grootte van 0,1 mm en een stromingsgeometrie in de orde van grootte van 1 m. Hiervoor moeten in drie ruimtelijke dimensies plus één tijdsdimensie 1015 - 1018 vergelijkingen opgelost worden.

63

64 Bellen en zware deeltjes in turbulentie opgewekt via een volledig numerieke simulatie. Het Taylor-Reynoldsgetal is Reλ = 180. De eerste afbeelding laat de volledige slice van 512x512x8 zien; de tweede is een uitsnede van 256x256x8.

Gerealiseerd in samenwerking met dr. Enrico Calzavarini (Twente), prof. Federico Toschi (TUE) en dr. Massimo Cencini (CNR, Roma, Italië). Referentie: Calzavarini, E., Cencini, M., Lohse, D., & Toschi, F. Quantifying Turbulence-Induced Segregation of Inertial Particles. Phys. Rev. Lett. *101*, 084504 (2008).

Prof. dr. D. (Detlef) Lohse Universiteit Twente Onderzoeksgebied Physics of Fluids


Onze onderzoeksgroep bestudeert verschillende stromingsverschijnselen, met name die waarbij bellen een rol spelen. Daarbij maken we gebruik van experimentele, theoretische en numerieke technieken. De belangrijkste onderzoeksgebieden zijn: • Turbulentie en tweefase stroming • Granulaire stroming • Micro- and nanofl uïdica • Biomedische toepassingen van bellen


We kunnen hier volstaan met een citaat van de Amerikaanse National Committee on Theoretical and Applied Mechanics: “Vloeistofdynamica is de wetenschap die de beweging van vloeistoffen en gassen en hun interactie met vaste lichamen beschrijft. Het is een breed, interdisciplinair vakgebied dat raakt aan nagenoeg elk aspect van het dagelijks leven en een belangrijke rol speelt in veel natuurwetenschappelijk en technologisch onderzoek. Vloeistofdynamica is van belang voor defensie en binnenlandse veiligheid, de transportsector, de industriële productie en de farmaceutische industrie en speelt ook een rol op het gebied van biologie, energie en het milieu. Voor tal van voorspellingen, of het nu gaat om de stroming van bloed in het menselijk lichaam, het gedrag

van microfl uïdische hulpmiddelen, de aërodynamische prestaties van vliegtuigen, auto’s en schepen, de koeling van elektronische componenten of de gevaren van weer en klimaat, is diepgaand inzicht in de vloeistofdynamica nodig.”


We noemen hier twee numerieke uitdagingen, een op een macroschaal van tientallen kilometers en een op nanoschaal. Volledige turbulentie is een van de grote problemen van de klassieke fysica. Dat komt doordat het een multiscale probleem is: de dissipatie van energie op kleine schalen (micrometer) en de grenslagen met vergelijkbare dikte zijn bepalend voor de bewegingen op grote schaal. Bij turbulente multifase stromingen is de situatie nog gecompliceerder: deeltjes of druppels kunnen de turbulente beweging op grote schaal volledig veranderen en zo bijvoorbeeld de vorming van wolken in de atmosfeer bepalen. De numerieke uitdagingen op nanoschaal voor de komende tien jaar betreffen onder meer de interactie tussen oppervlak en stroming. Zo weten we dat de chemische eigenschappen van een ondergedompeld materiaal bepalen of zich op een oppervlak al dan niet bellen vormen; meer onderzoek op dat punt is van groot belang, omdat dit proces grote invloed heeft op het glijden van de stroming over het oppervlak.

65

66

Prof. dr. W. L. (Leo) Meerts Radboud Universiteit Nijmegen Onderzoeksgebied Biofysica


Een goede kennis van de structuur van biomoleculen is van belang voor het begrip van de biologische processen welke in de natuur plaatsvinden. Van veel biomoleculen is bekend dat zij een groot aantal verschillende, bijna even stabiele conformaties hebben. Toch selecteert de natuur slechts een van deze mogelijkheden. Aangezien de effectiviteit van de biologische functies sterk bepaald wordt door de driedimensionale structuur van de moleculen helpt het bepalen van deze structuur bij het verkrijgen van een beter functioneel begrip.


Moderne hoogopgeloste spectroscopische methoden maken het mogelijk de structuur en daarmee de functie van biomoleculen of hun bouwstenen te bepalen. Ook microsolvatie processen kunnen worden onderzocht. Aangezien de analyse van deze spectra menselijk praktisch niet meer mogelijk is, gebruiken wij heuristische algoritmen zoals Evolutionaire Algoritmen, Particle Swarm Optimization en Ant Colony Optimization voor het automatisch analyseren van de experimentele spectra.


Hierbij is veel computerkracht vereist, waarbij bij de door ons gebruikte methodes de parallellisatie van het rekenproces optimaal wordt benut. De in de laatste jaren beschikbaar gekomen rekenkracht heeft een enorme impact gehad op het routinematig analyseren van complexe moleculaire spectra. Grotere rekencapaciteit betekent dat grotere en ingewikkeldere biomoleculen bestudeerd kunnen worden, waarmee een dieper inzicht in biomoleculaire interacties kan worden verkregen.

67

68

De figuur laat een berekend energiediagram zien van de eerste stap in de synthese van koolwaterstoffen uit de atomen ervan op het oppervlak van ijzer. Hoe hoger de energie, hoe minder stabiel de verbinding. Het rood gekleurde pad verwijst naar de directe binding van een waterstofatoom met een koolstofatoom. Het indirecte pad loopt via tussenfasen van lagere energie en is dan ook meer voor de hand liggend (met dank aan PhD-student mevr. A. Govender).

Prof. dr. J.W. (Hans) Niemantsverdriet & dr. D. (Daniel) Curulla Technische Universiteit Eindhoven Onderzoeksgebied

Physical Chemistry of Surfaces


Onze onderzoeksgroep Physical Chemistry of Surfaces, onderdeel van de faculteit Scheikundige Technologie en Chemie aan de Technische Universiteit Eindhoven, maakt gebruik van computational chemistry in combinatie met experimentele technieken voor oppervlakteonderzoek om onderzoek te doen naar de adsorptie en reactie van kleine moleculen op oppervlakken.


We zijn met name geïnteresseerd in de elementaire stappen van de chemische reactie waarbij aardgas en biomassa omgezet worden in synthetische brandstoffen (Fischer-Tropschsynthese). Daarnaast proberen we meer inzicht te krijgen in de katalytische reactiviteit van goudoppervlakken, een ‘hot topic’ binnen het katalyseonderzoek van dit moment. Nanogouddeeltjes lijken aantrekkelijke katalysatoren te zijn voor tal van milieurelevante reacties, zoals het elimineren van verontreinigende stoffen, onaangename geuren, enz.


Met een Petascale systeem ontstaan nieuwe mogelijkheden om hogere complexiteitniveaus toe te passen bij de simulatie van katalytische reacties en de beschrijving van die reacties meer relevantie te geven voor de reële wereld. De aanname is dat nieuwe, zeer nuttige katalytische reacties op basis van rekenkundige voorspellingen gevonden kunnen worden.

6

70

De necropolis op het plateau van Giza gezien als ogen gevoelig zouden zijn voor donkere materie. Hier zijn de resultaten van een kosmologische simulatie uitgevoerd op twee supercomputers, de Nederlandse Huygens bij SARA en de Cray XT4 van het Center for Computational Astrophysics in Tokyo, gebruikt als achtergrond van een foto van de piramides.

Dr. S.F. (Simon) Portegies Zwart Universiteit van Amsterdam Onderzoeksgebied

Computationele Astrofysica


Wij simuleren de structuurvorming in het Universum zoals deze tot stand komt uit de moderne kosmologie. Een van de grootste problemen van de kosmologie is dat de klonterigheid van gesimuleerde structuren niet overeen komt met waarnemingen. De simulaties voorspellen enkele honderden keren meer kleine sterrenstelsels dan zijn waargenomen. Door middel van de koppeling van verschillende supercomputers via een intercontinentaal optisch netwerk verwachten wij een belangrijke bijdrage te kunnen leveren aan deze discussie. Tegelijkertijd zullen wij met onze berekeningen aantonen dat een grid van supercomputers rendabel is.


De astronomie werd al door de Egyptenaren omstreeks 2500 v.Chr. bedreven, met het oog en door middel van primitieve berekeningen. Volgens de Egyptische mythologie werd de zonnegod Re geboren uit Nut, de godin van de Melkweg. Sinds die tijd heeft zowel het rekenen als het bestuderen van het Universum een enorme vlucht genomen. Generaties Homo

sapiens zijn intussen opgegroeid, zich verwonderend over de kosmos groeiden zij uit tot verstandige wereldburgers. Zowel het grootschalig rekenen als de astronomie leveren zodoende een belangrijke bijdrage aan de beschaving zoals wij die kennen.


Het huidige rekenvermogen limiteert onze berekeningen tot het simuleren van een kosmisch volume van slechts enkele 100 miljoen kubieke lichtjaar. Hierdoor kunnen wij wel conclusies trekken over relatief lokale structuren, maar op een grotere schaal blijven vele vragen onbeantwoord. Met een Petafl ops- schaal computer (of misschien liever nog enkele Xonafl ops) zullen astronomen hun berekeningen kunnen opschalen waardoor een groot deel van het zichtbare universum numeriek bestudeerd kan worden. Een dergelijk groot volume is interessant vanwege de mogelijkheid om Einsteins algemene relativiteitstheorie met kosmologische simulaties te verifi ëren en zodoende een kwalitatieve bijdrage te leveren aan de eigenschappen van donkere materie

71

72

Prof. dr. H.A. (Hans) de Raedt Rijksuniversiteit Groningen Onderzoeksgebied

Computational physics


Het voornaamste wetenschappelijke doel van het onderzoek is om aan te tonen dat het mogelijk is om een algoritmische, realistische beschrijving te geven van microscopische fenomenen op het niveau van individuele gebeurtenissen, zonder gebruik te maken van concepten van golfmechanica.


Het opleiden van mensen die in staat zijn de mogelijkheden van geavanceerde computers ten volle te benutten.


Eigen aan het vakgebied is dat het geheugen dat nodig is om de modellen te kunnen simuleren exponentieel groeit met het aantal variabelen van het model. Een model met slechts 36 variabelen vereist al snel 1 Terabyte aan geheugen en het spreekt vanzelf dat al die data ook bewerkt moet worden. De intellectuele uitdaging bestaat erin om algoritmes te bedenken die de rekencapaciteit van een Petafl op machine ten volle benut zodat we de grens van wat gesimuleerd kan worden aanzienlijk kunnen verleggen. 73

74

Prof. dr. D.J.E.M (Dirk) Roekaerts Technische Universiteit Delft Onderzoeksgebied

Turbulente verbranding


Bij de simulatie van turbulente verbranding is de uitdaging erin gelegen de niet-lineaire interacties tussen stroming en chemische reactie te vatten in een nauwkeurig rekenmodel en tegelijkertijd via vereenvoudiging van chemie en stroming de benodigde rekenkracht te beperken. Dit wordt gedaan door de ‘large eddy’-simulatie van turbulentie te combineren met statistische deelmodellen voor vlamstructuren. De berekeningen voorspellen vlamstabiliteit, emissies en warmtefl ux en worden gevalideerd door vergelijking met laserdiagnostische metingen (foto).


Meer inzicht in turbulente verbranding biedt mogelijkheden voor de ontwikkeling van industriële verbrandingssystemen zoals gasturbines, fornuizen en motoren met een substantieel hogere effi ciëntie en signifi cant lagere emissies van vervuilende stoffen.


Een grotere rekenkracht maakt het mogelijk nauwkeurigere simulaties te verrichten van turbulente vlammen, op een schaal dichter bij die van de industriële praktijk en/of met meer gedetailleerde chemische schema’s voor de vorming van vervuilende stoffen.

75

76

Een granulaire pakking, waarin de dikte van de lijnen de sterkte van de kracht tussen de deeltjes aangeeft.

Prof. dr. ir. W. (Wim) van Saarloos

Universiteit Leiden Onderzoeksgebied

Gecondenseerde materie


Berekenen van de statische en dynamische response van zachte gecondenseerde materie, zoals granulaire materialen, schuim, gels, enz. De wetenschappelijke uitdaging van dit onderzoek is om het verband te leggen tussen de microscopische interacties van de deeltjes (korrels, bellen) en het macroscopische gedrag (stroming, stijfheid) van deze materialen.


De materialen die we bestuderen komt iedereen in de dagelijkse praktijk tegen, scheerschuim, gel, plastics, een hoop kiezelstenen; een juiste modellering van het gedrag van het fysische gedrag van dergelijke stoffen is vrijwel altijd ook van belang voor de industrie.


Onze huidige simulaties aan schuim worden in grootte en duur beperkt door de beschikbare computerkracht: wij hebben ontdekt dat het stromingsgedrag van een fundamenteel model voor schuim bepaald wordt door vier verschillende interacties. Met de huidige computerkracht kunnen wij slechts twee voldoende variëren om het gedrag systematisch te bestuderen. Met Petascale simulaties zouden we het hele fasediagram systematisch kunnen analyseren.

77

78

Het reactieve centrum voor CO-activering.

Prof. dr. R.A. (Rutger) van Santen Technische Universiteit Eindhoven Onderzoeksgebied

Moleculaire heterogene katalyse


De moleculaire basis van katalytische verschijnselen wordt onderzocht door gedetailleerde studie van de reacties die plaats vinden aan het oppervlak van actieve katalytische systemen. Dit onderzoek leidt tot ontwerp van nieuwe of verbeterde katalysatoren.


Heterogene katalytische processen vormen de basis van 90% van de huidige grootschalige chemische processen. Verbetering van deze processen levert belangrijke bijdragen aan energiebesparing en milieuontlasting. Nieuwe processen zijn nodig om een oplossing te bieden aan huidige energie en klimaatproblematiek. Er wordt onderzoek gedaan aan kooldioxideomzetting (reductie broeikaseffect), waterstofopslag en generatie (waterstofeconomie) en synthesegas-omzetting van belang voor conversie van aardgas en kolen naar benzine of diesel. Er is ook onderzoek van belang voor de conversie van biomassa.


Een grote uitdaging voor het ontwerp van katalytische systemen is deze zo te ontwerpen dat zij zichzelf verbeteren onder invloed van gewenste reactieomstandigheden. We dienen dan systemen te ontwerpen die evolutionair gedrag vertonen. In beperkte mate kunnen katalysatoren zichzelf repareren en zelfs zichzelf reorganiseren als reactieomstandigheden zich wijzigen. Deze systemen heeft men kunnen ontwerpen dankzij het gedetailleerde inzicht dat supercomputers verschaffen. Computersimulaties van chemosystemen die het gedrag vertonen van levende systemen, als eencellige bacteriën, zijn nodig om ontwerp van ‘smart’ en ‘lerende’ katalytische systemen te kunnen doen. We zijn hier in het gebied van multiscale modelling met integratie van processen van verschillende lengte en tijdschalen.

7

80

Prof. dr. W.H.A. (Wil) Schilders

Technische Universiteit Eindhoven en Philips Research Onderzoeksgebied

Simulatie van het ontwerp van schakelingen voor RF- en analoge/gemengde signalen


Bij het ontwerp van geavanceerde schakelingen voor RF- en analoge/gemengde signalen zijn wiskundige technieken onmisbaar. Alle virtuele ontwerpomgevingen die door ontwerpers worden gebruikt zijn in hoge mate van wiskundige berekeningen afhankelijk. Voor de nieuwste generatie schakelingen en systemson-chip moeten alle parasitaire effecten en onderlinge koppelingen nauwkeurig kunnen worden gesimuleerd. Dit betekent dat simulaties van halfgeleiders, schakelingen en elektromagnetische velden aan elkaar gekoppeld moeten kunnen worden en dat gelijktijdige simulatie van alle componenten in een volledig ontwerp mogelijk moet zijn. Dit stelt zeer hoge eisen aan zowel de numerieke algoritmes als de computerinfrastructuur.


De elektronica-industrie staat aan de basis van een van de meest ingrijpende revoluties die de mensheid ooit heeft gekend. We kunnen onszelf nauwelijks nog een voorstelling maken van een wereld zonder elektronische hulpmiddelen, mobiele telefoons en laptops. De ontwikkeling van elektronica heeft ook grote betekenis gehad – en heeft nog steeds grote betekenis – voor de gezondheidszorg, het monetaire systeem en tal van andere sectoren en instellingen. Ontwerp en productie van complexe producten zijn in hoge mate afhankelijk van de prestaties in de elektronica-industrie.


Het is absoluut noodzakelijk dat alle mogelijke koppelingen en onderlinge interacties tussen componenten in een system-on-chip worden onderzocht om ervoor te zorgen dat ontwerpen worden ontwikkeld die voldoen aan het dictaat van ‘fi rst time right’. Een nog grotere uitdaging is het uitvoeren van optimalisaties van dergelijke systemen op het allerhoogste niveau. Dergelijke simulaties kunnen alleen worden gerealiseerd op basis van zeer veel extra rekenkracht, in combinatie met de meest geavanceerde wiskundige algoritmes. Dit is voor de sector vooralsnog onhaalbaar, maar kan realiteit worden als een Petascale systeem beschikbaar is.

81

82

Prof. dr. P.M.A. (Peter) Sloot Universiteit van Amsterdam Onderzoeksgebied

Computational Science


Computersimulatie van biomedische processen. De nadruk ligt op multiscale modelling van infectieziektes. (zie: www.virolab.org).


Ons HIV-simulatieonderzoek geeft inzicht in betere medicatie voor HIV-geïnfecteerden. Zie: [1] en [2].

Petascale challenge voor de toekomst Van belang is het doorrekenen van de bindingsaffi niteit van Reverse Transcriptase en Protease Eiwitten met verschillende medicijnen onder mutatiedruk van het Retrovirus. Deze bindingsaffi niteit wordt vervolgens gebruikt om de effectiviteit van de medicijnen te bepalen maar ook om de transmissie van resistentie in seksuele netwerken door te rekenen. Zie: [1] en [3].

Meer info: www.science.uva.nl/research/pscs/ papers/sloot.html 83

REFS: [1] P.M.A. Sloot: VIROLAB: from the molecule to the man, eStrategies Projects, nr 4 pp. 53-55. British Publishers Ltd, 2008. www.science.uva.nl/research/pscs/papers/archive/Sloot2008b.pdf [2] P.M.A. Sloot; F. Chen and C.A. Boucher: Cellular Automata Model of Drug Therapy for HIV Infection, in S. Bandini; B. Chopard and M.Tomassini, editors, 5th International Conference on Cellular Automata for Research and Industry, ACRI 2002, Geneva, Switzerland, October 9-11, 2002. Proceedings, in series Lecture Notes in Computer Science, vol. 2493, pp. 282-293. October 2002. www.science.uva.nl/research/pscs/papers/archive/Sloot2002d.pdf [3] P.M.A. Sloot; S.V. Ivanov; A.V. Boukhanovsky; D.A.M.C. van de Vijver and C.A.B. Boucher: Stochastic simulation of HIV population dynamics through complex network modelling, International Journal of Computer Mathematics, vol. 85, nr 8 pp. 1175-1187. Taylor & Francis, 2008. www.science.uva.nl/research/pscs/papers/archive/Sloot2007c.pdf

84

Overeenkomstig de Wet op de Waterkering moeten de primaire structuren voor de Nederlandse kustverdediging periodiek worden gecontroleerd, teneinde zeker te stellen dat zij het vereiste beschermingsniveau kunnen bieden. Die controle is gebaseerd op de zg. Hydraulic Boundary Conditions (HBC). Het spectrale windgolfmodel SWAN speelt een belangrijke rol bij de HBC-raming. Er bestaat evenwel nog enige onzekerheid omtrent de betrouwbaarheid van SWAN wanneer het wordt toegepast op de geografisch complexe Waddenzee. In dit verband verrichten wij onderzoek naar de inzet van High Performance Computing ter verbetering van SWAN bij de zeer gedetailleerde en nauwkeurige modellering van stormgolven. Dit vereist een zeer fijnmazige structuur om de plaatselijke topografische en bathymetrische kenmerken te kunnen definiëren en vastleggen die van invloed zijn op de transformatieschaal voor wind en golfvorming. Onze recent ontwikkelde parallelle en ongestructureerde roosterversie van SWAN biedt de mogelijkheid de resolutieschaal te verkleinen in een fysiek terrein van de Waddenzee van voldoende omvang tot 10-50 meter in de tidal gap (tussen de eilanden) en de inner-tidal kustzone, terwijl de resolutie in de rest van het gebied meerdere kilometers bedraagt (zie bovenstaande figuur met een driehoekig rooster van 140.000 punten onderverdeeld in 16 load-balanced subdomeinen). Een andere toepassing is de gedetailleerde en nauwkeurige voorspelling van hoge golven in het centraal-noordelijk gedeelte van de Golf van Mexico als gevolg van orkanen. TU Delft heeft het SWAN-model ontwikkeld en verbeterd met steun van het Amerikaanse Office of Naval Research en Rijkswaterstaat.

Prof. dr. ir. G.S. (Guus) Stelling Technische Universiteit Delft Onderzoeksgebied Civiele techniek


Water stroomt, golft en wervelt altijd. Het rijst en het daalt. Daarbij aangedreven door de cyclus van verdamping en neerslag, de wind en de zwaartekrachten van diverse hemellichamen. Water voert van alles mee, opgelost of niet, zoals zout, fosfaten, zand en slib, soms zelfs grote stenen. Hierdoor verandert de kust voortdurend, meandert de bedding van de rivier en breken soms de dijken.


Wij willen het water, maar zonder ‘zijn eeuwige rampen’. Dijken, waterwegen, vaargeulen, havens, olieplatformen, landuitbreiding, dat alles blijft nodig en neemt drastisch toe, wereldwijd. Steeds meer zoekt men naar een gepaste balans met de natuur. Steeds meer is men actief op technisch lastige plaatsen, zoals diepe oceanen of zeer noordelijke zeeën. Of is men actief vlakbij plaatsen met een kwetsbare natuur zoals koraalriffen.


Die complexe evenwichten en lastige plaatsen vragen steeds meer om plussen en minnen, kortom om rekenkracht. Bijvoorbeeld bij het beheer van kusten zullen betrouwbare voorspellingen van zandtransport onder invloed van golven en stroming veel effectiever kustbeleid mogelijk maken. Men stort op de juiste plek zand, in balans met de natuurlijke krachten, en de natuur vult aan in plaats van omgekeerd. Het is maar een voorbeeld, er zijn er veel meer. Men mag stellen, dat er zonder grote rekenkracht in ons land, in de toekomst kansen gemist zullen worden voor evenwichtige en winstgevende oplossingen voor veiligheid, economie en natuur.

85

86

Berekende turbulente stroming achter een blokje.

Prof. dr. A.E.P. (Arthur) Veldman Rijksuniversiteit Groningen Onderzoeksgebied

Simulatie van turbulente stromingen


Overal om ons heen spelen stromingsprocessen een belangrijke rol: bij de ontwikkeling van het klimaat, in het zog achter vliegtuigen en schepen, in de verwarmingsketel thuis en binnenin ons lichaam. In veel gevallen is de stroming turbulent, vol dynamische details. Turbulentie heeft zowel gewenste als ongewenste effecten. Bijvoorbeeld, in een verwarmingsketel bevordert turbulentie de menging van brandstof en lucht, maar achter een vliegtuig leidt het tot een hoger brandstofverbruik.


Naast het uitvoeren van experimenten, kan de invloed van turbulentie bestudeerd worden door de stroming op een computer te simuleren. De kleine details in de stroming vereisen een hoge resolutie van de rekenmethode en daardoor zeer veel rekeninspanning. In de praktijk worden deze details meestal gemodelleerd, maar daarbij gaat essentiële fysica verloren.


Met verfi jningen van het wiskundig rekengereedschap probeert onze onderzoeksgroep de benodigde rekeninspanning binnen de perken te houden. Samen met de vooruitgang in computerkracht komen hierdoor meer en meer stromingstoepassingen binnen bereik. Als voorbeeld verwachten we dat op een Petascale computer de stroming rond een vliegtuig tot in alle details doorgerekend zal kunnen worden.

87

88

Veranderingen in bosfractie [0-1] tussen 2050 en heden (de blauwe tinten wijzen op ontbossing) op basis van simulaties met een chemie-klimaatmodel (ECHAM5/MESSy) voor onderzoek naar het effect van wijzigingen in vegetatie en bodemgebruik op atmosferische chemie en klimaat via veranderingen in sedimentatie, emissies, meteorologie en de hydrologische cyclus.

Prof. dr. ir. P. (Pier) Vellinga & dr. ir. L.N. (Laurens) Ganzeveld Wageningen Universiteit en Researchcentrum en Vrije Universiteit Amsterdam Onderzoeksgebied

Klimaatverandering: fundamentele processen, mitigatie en adaptatie


Het onderzoek richt zich op het verder verrijken van de fundamentele kennis over het systeem Aarde en dan met name het thema klimaatverandering, en het opstellen van mitigatie en adaptiestrategieën voor het omgaan met de gevolgen van verwachte klimaatverandering in Nederland en andere kwetsbare gebieden. De fundamentele aardsysteem en klimaatstudies en ontwikkeling van mitigatie en adaptatiestrategieën worden o.a. onderzocht en ontwikkeld op basis van analyses met gedetailleerde modelsystemen, bijvoorbeeld gekoppelde chemie-klimaatmodellen, regionale koolstof cyclus-meteorologische modellen en integrated assessment modellen, bijvoorbeeld voor het bestuderen van het Rijnwaterbekken.


Het onderzoek is van grote maatschappelijke relevantie met de huidige intensieve aandacht voor het thema klimaat, duurzaamheid en toekomstige energievoorziening. Een belangrijke onderzoekscomponent is het thema landgebruik wat op dit moment een zeer actueel thema is mede vanwege de lopende discussie over de productie van biofuels en voedselproducten.


De uitdaging wat betreft het gebruik van een Petascale systeem zit in de meerwaarde van zo’n systeem voor het uitvoeren van ensembles integraties met de gekoppelde modelsystemen, bijvoorbeeld de chemie-klimaatmodelsystemen die zeer rekenintensief zijn en waarvoor op dit moment het alleen nog praktisch haalbaar is om relatief korte integraties door te voeren terwijl, mede door de relatief grote onzekerheid in de verschillende componenten, het gewenst is om projecties van toekomstig klimaat en andere aardsysteemcomponenten te baseren op het gemiddelde van een groot aantal modelintegraties.

8

0

Numerieke simulatie van vochttransport in de atmosferische

Numerieke simulatie van het versterkte verticale transport

grenslaag boven een heterogeen verwarmd oppervlak.

van isopreen door wolken. Isopreen is een biogene

De afbeelding laat een koude patch (x = - 3200 tot 0 m) naast

reactieve verbinding die wordt uitgestoten door bomen

een warme patch (x = 0 tot 3200 m) zien. Het verschil in

en een grote rol spelt bij de ozonvorming. In de instantane

warmteontwikkeling leidt tot een circulatie in de laagste

dwarsdoorsnede bevindt de wolk zich op circa x=3200 m

kilometer van de atmosfeer waarbij vochtige lucht (blauw)

en wordt het uitgestoten isopreen getransporteerd naar

naar warme gebieden getransporteerd wordt. Hier zal dan

bijna 3 km.

ook eerder wolkvorming optreden.

Referentie: Vilà-Guerau de Arellano, J. en Van den Dries, C.

Referentie: Van Heerwaarden, C. C. en Vilà-Guerau de Arellano, J.

(2008), Atmospheric Turbulent Reacting flows influenced by

(2008), Relative humidity as an indicator for cloud formation

shallow cumulus: a large-eddy simulation study. ERCOFTAC

over heterogeneous land surfaces. Journal of the Atmospheric

Bulletin (in voorbereiding).

Sciences, DOI:10.1175/2008JAS2591.1 (online publicatie).

Dr. J. Vilà-Guerau de Arellano Wageningen Universiteit en Researchcentrum Onderzoeksgebied

Meteorologie en Atmosferische Chemie

Korte beschrijving van het onderzoek Ons onderzoek is onder meer gericht op atmosferische turbulentie en de invloed daarvan op het weer, de luchtkwaliteit en het klimaat.


Meer inzicht in atmosferische grenslagen en turbulentie heeft directe relevantie voor verbetering van kennis, modeling en voorspellingen met betrekking tot het weer, het klimaat en de luchtkwaliteit. Dit komt de menselijke activiteit en de samenleving als zodanig ten goede.


Het onderzoek is in hoge mate gebaseerd op numerieke oplossingen van de Navier-Stokes vergelijkingen en andere vergelijkingen voor behoud van grootheden (warmte en vocht) aan de hand van de zogeheten Large Eddy simulatietechniek. Uitbreiding van de computercapaciteit in Nederland in het kader van dit initiatief levert ons veel voordeel op, omdat we ons onderzoek dan ook kunnen richten op meer complexe stromingen, domeinen van bredere ruimtelijke en langdurigere temporele integratie, meer verfi jnde numerieke oplossingen en, wat betreft atmosferische chemie, op meer complexe chemische mechanismen. We geven dan ook alle steun aan de realisering van de Petascale systeem en zullen bij doorgang van het project intensief gebruik maken van deze faciliteit.

1

Onderzoeksgebied

Computational Drug Discovery: structurele bioinformatica voor drug design en translationele medicijnontwikkeling


2

Dihydrotestosteron-eiwitreceptor interactie.

Bioinformatica en genomics hebben zich ontwikkeld tot belangrijke disciplines binnen de farmaceutische wetenschappen. Het ontwikkelen van betrouwbare computergeoriënteerde technieken voor structure-based drug design en translationele medicijnontwikkeling zijn belangrijke uitdagingen in het onderzoek. De methoden worden ingezet om tijdens de ontwerpfase de verschillende moleculaire eigenschappen waaraan een geneesmiddel moet voldoen op een evenwichtige wijze in te bouwen. Ook spelen de computermodellen en simulaties een cruciale rol bij het stimuleren van het multidisciplinaire onderzoeksproces van geneesmiddelen.


Door doorbraken in genomicsonderzoek is het inzicht in ziekteprocessen op het moleculaire niveau sterk toegenomen. Dit heeft geleid tot de verdere rationalisering van het medicijnontwikkelingsproces. Moderne ICT en bioinformaticatechnieken spelen een essentiële rol om de grote hoeveelheden gegevens uit genomics om te zetten in bruikbare biologische kennis. Ondanks de snelle wetenschappelijke ontwikkelingen wordt medicijnontwikkeling nog steeds gekenmerkt door het vaak zeer laat falen van potentiële medicijnen in de R&D-pijplijn.

Prof. dr. J. (Jacob) de Vlieg Schering-Plough en Radboud Universiteit Nijmegen Dit heeft geleid tot lage productiviteit van de farmaceutische industrie en daardoor zeer hoge R&D-kosten. De gemiddelde kosten per goedgekeurd medicijn wordt op dit moment geschat op circa 900 miljoen euro. Het laat falen in de pijplijn, kan onder anderen worden verklaard uit het feit dat de in vitro, in vivo en diermodellen uit de vroege researchfase onvoldoende voorspellend zijn voor de uiteindelijke werking van het potentiële medicijn in de mens. Vaak pas tijdens het uitvoeren van grote en zeer kostbare clinical trials komt men er achter dat de werking of veiligheid van het nieuwe middel onvoldoende is. Genomics en moleculaire imaging technieken kunnen helpen de voorspelbaarheid van de researchmodellen te verhogen maar de uitdaging is om deze wetenschappelijke methoden beter te integreren in de complete R&D-pijplijn. De integratie is in het bijzonder essentieel voor het translationele onderzoek waarin doorbraken in genomics en ander basisonderzoek worden vertaald in concrete medische oplossingen voor patiënten. Nieuwe ICT, computermodellen, simulatie en bioinformaticatechnieken zijn hiervoor onmisbaar.


Krachtige analyse, dataopslag en geavanceerde simulatietechnieken voor het doorrekenen en analyseren van biologische processen zijn onmisbaar om de enorme hoeveelheden genomics en imaging gegevens om te zetten in kennis van ziekten op het moleculaire niveau. Uitdagingen en projecten omvatten:

• Bioinformaticatechnieken voor het vinden van nieuwe aangrijpingspunten voor medicijnen en biomarkers. Dit behelst methoden voor het geïntegreerd analyseren van gen of eiwitexpressie studies. De computermodellen en simulatietechnieken worden ingezet om vroeg in het researchproces te voorspellen of een nieuw medicijn bijwerkingen zal hebben (toxicogenomics). Tevens worden bioinformatica en simulaties gebruikt om na te gaan of het beïnvloeden door een medicijn van een bepaalde eiwitaangrijpingspunt of biologische pathway wel of niet zal leiden tot een positieve uitwerking op het ziekteproces (target validation). • Structurele Bioinformatica en moleculaire dynamica simulaties voor het voorspellen en bestuderen van conformatieveranderingen van eiwitaangrijpingspunten tijdens het binden van een ligand of medicijn. De methoden worden tevens gebruikt voor het in de computer testen van duizenden en duizenden stoffen op eiwitbinding (virtual screening, pharmacophore modelling). • Integratieve bioinformaticamethoden voor het combineren van chemische en biologische gegevens. De structurele bioinformaticamethoden zijn nodig om medicijnen te maken met minder bijwerkingen door ze zeer specifi ek te ontwerpen voor een bepaald eiwitaangrijpingspunt. Geavanceerde driedimensionale visualisatiemethoden spelen hierbij ook een grote rol.

3

4

Eenvoudige vermazing van de oceanen (als voorbeeld van het rekenen aan relevante systemen).

Prof. dr. H.A. (Henk) van der Vorst Universiteit Utrecht Onderzoeksgebied

Toegepaste wiskunde, in het bijzonder de numerieke wiskunde


Ik ben specialist op het gebied van het zeer grootschalig rekenen, in het bijzonder het numeriek oplossen van grote stelsels lineaire vergelijkingen en stabiliteitsproblemen. Mijn artikel uit 1992 over Bi-CGSTAB (een methode voor zeer grote stelsels) was het wereldwijd meest geciteerde artikel uit de jaren negentig.


Het mogelijk maken van de analyse van zeer complexe simulaties, zoals de gevoeligheid van oceaanstromingen ten gevolge van (klimaat-) verstoringen, de stabiliteit van plasma in een kernfusiereactor, het gedrag van een elektronische chip, stabiliteit van mechanische constructies, realistische waterhuishoudingsmodellen (grondwaterstroming, overstromingsmodellen), realistische akoestische problemen (resonanties), enz.


Een rekenmethode verder ontwikkelen voor de gevoeligheidsanalyse van een compleet realistisch klimaatmodel ten aanzien van verstoringen. Deze methode zal dan ook geschikt blijken voor andere Petascale berekeningen (overstromingsmodellen bij dijkdoorbraak, enz.).

5

6

Golfvoortplantingsmodel van het menselijke arteriële systeem,

Complexe verspreiding van deeltjes in een

gebaseerd op de MRI-gegevens van een patiënt.

model van de aortaboog aangesloten op LV-ondersteunende apparatuur.

Prof. dr. ir. F.N. (Frans) van de Vosse Technische Universiteit Eindhoven Onderzoeksgebied

Biomedische Technologie – Cardiovasculaire Biomechanica


In mijn vakgebied Cardiovasculaire Biomechanica gaat high performance computing een steeds belangrijkere rol spelen. Hierbij moet worden gedacht aan computer simulaties van stroming in en deformatie van bloedvaten waarbij wordt uitgegaan van patiëntspecifi eke anatomische en functionele informatie. De simulatiemodellen worden vervolgens ingezet om medische besluitvorming over chirurgische interventie te ondersteunen. Een recentelijk gehonoreerde FP7 - ICT-Health project ARCH (3.7 M euro) over ontwikkeling en gebruik van simulatie modellen bij chirurgische planning van arterio-veneuse shunts (doorverbinding slagader-ader) in de arm van nierdialyse patiënten illustreert de internationale belangstelling voor deze toepassingen.

Maatschappelijke relevantie/impact Het onderzoek in mijn groep draagt bij tot verbetering van de diagnostiek van cardiovasculaire aandoeningen en ondersteuning van medische besluitvorming met betrekking tot (chirurgische) interventie. Maatschappelijk gezien is dit in de eerste plaats van belang voor verbeterde patiëntenzorg. Hiernaast zal het onderzoek, bij succesvolle toepassing, ook bijdragen tot signifi cante besparingen in de gezondheidszorg.


Wetenschappelijk gezien liggen in ons onderzoek twee belangrijke uitdagingen die afhankelijk zijn van de inzet van Petascale computersystemen. Ten eerste is er op ‘computational science’ gebied een uitdaging om goed om te gaan met de complexiteit van de systemen die worden geanalyseerd. Ten tweede zal toepassing in de kliniek gepaard gaan met grote (Petascale) data volumes die moeten worden gekoppeld aan medische beeldverwerking en geavanceerde visualisatiesystemen.

7

8 De oorspronkelijke situatie is getoond in het linker plaatje. De situatie na herverfijning staat in rechter plaatje. Het is goed te zien dat de herverfijning een extra residu zichtbaar heeft gemaakt.

Prof. dr. G. (Gert) Vriend Radboud Universiteit Nijmegen Onderzoeksgebied

Eiwitstructuur gerelateerde bioinformatica


De afgelopen 40 jaar heeft de mensheid de atomaire structuren opgelost van ongeveer 50.000 macromoleculaire structuren/complexen. De meeste daarvan zijn opgelost met behulp van X-ray diffractie. Met de software van vandaag kunnen we een structuur uit 1998 beter oplossen dan de experimentalisten dat in 1998 zelf konden, mits de experimentele data vandaag (nog) beschikbaar is natuurlijk. Wij lossen regelmatig alle bekende eiwitstructuren nog een keer op, telkens met de laatste, beste software.


Eiwitstructuren vormen de basis van veel medisch en biologisch onderzoek. De meeste medicijnen grijpen in het menselijk lichaam aan op een eiwit en genetische defecten uiten zich meestal via een niet goed functionerend eiwit. Onderzoek in deze richtingen is gebaat bij de best mogelijke eiwit-structuren met zo min mogelijk experimentele fouten. Betere structuren leveren betere onderzoeksresultaten in vele biomedische projecten.


Het herverfi jnen c.q. opnieuw oplossen van 50.000 structuren kost 6 weken in een Terafl op wereld. Dit zou dus een uurtje werk zijn in een Petafl op wereld. En met zo’n turnaround kunnen we ook aan parameter optimalisatieprotocollen gaan denken.

100

Botadaptatie van het bot van een rat in een finite element computermodel (links) en real life (rechts). Door algemene regels voor de adaptatie van poreuze botstructuren toe te passen op de externe mechanische belasting kan de feitelijke botstructuur in levende dieren gesimuleerd worden in een resolutie van circa 100 microns.

Prof. dr. ir. H.H. (Harrie) Weinans Erasmus Universiteit Rotterdam Onderzoeksgebied

Computersimulaties van botadaptatie


Bot is levend materiaal dat zich voortdurend vernieuwt, zodat de mechanische eigenschappen behouden blijven. Dit proces van vervanging van oud materiaal door nieuw materiaal wordt beïnvloed door de mechanische eisen die de voortbeweging en zwaartekracht stellen. Gevolg is dat de botarchitectuur in de loop van een mensenleven een doorlopend proces van adaptatie doormaakt. De afgelopen twintig jaar is geleidelijk meer inzicht ontstaan in de natuurkundige wetten die deze mechanischbiologische interactie bepalen. Met behulp van computermodellen kan de mechanische belasting berekend worden en kunnen de gevolgen voor de botstructuur en -sterkte en het breukrisico bepaald worden.


Dit onderzoek is relevant voor aandoeningen die verband houden met de degeneratie van het menselijk bewegingsapparaat naarmate een hogere leeftijd wordt bereikt. Osteoporose is een aandoening waarbij het bot zijn mechanische sterkte verliest, hetgeen leidt tot botbreuken, veelal in de heup en de rug. Osteoartritis is een aandoening van de gewrichten waarbij de benige structuur vlak bij het gewricht veranderingen ondergaat, waardoor de verdeling van de belasting over het gewricht verschuift. Met de computermodellen voor botadaptatie kan onderzoek naar deze aandoeningen verricht worden en kan meer inzicht verkregen worden in de onderliggende oorzaken ervan.


De Petascale challenge voor dit onderzoek is het in kaart brengen van de biologische aspecten van botadaptatie op celniveau. Het zijn immers de botcellen die de botmatrix resorberen en weer opbouwen. Deze cellen zijn circa 10 micrometer groot, terwijl het bij de botten van de mens om centimeters gaat. De laagste schalen die met de huidige simulatiemodellen gerealiseerd kunnen worden liggen rond 100 micrometer, nog altijd een factor 10 hoger dan de cellen die in de reële wereld de botstructuur bepalen.

101

Colofon SARA Reken- en Netwerkdiensten Postbus 94613 1090 GP Amsterdam Stichting Nationale Computerfaciliteiten (NCF) Postbus 93575 2509 AN Den Haag Fotografie

SARA p. 48-49 Marc de Haan p. 29 Bart van Overbeeke p. 101 R. van Wendel de Joode Vertaling

Metamorfose Vertalingen, Utrecht Vormgeving

Crasborn Grafi sch Ontwerpers bno, Valkenburg a/d Geul | 08488

Het belang van High Performance Computing voor Nederland Het belang van High Performance Computing voor Nederland SARA | NCF

www.sara.nl

Stichting Nationale Computerfaciliteiten (NCF) Postbus 93575 2509 AN Den Haag T +31 (0)70 344 0700 [email protected] www.nwo.nl/ncf

december 2008

SARA Reken- en Netwerkdiensten Postbus 94613 1090 GP Amsterdam T +31 (0)20 592 3000 [email protected]

december 2008

Het belang van High Performance Computing voor Nederland

Recommend Documents