Ein Wunder jeden Tag

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Zweieinhalb Jahre Startverbot in Cape Canaveral und dann das:Der Flug des NASAShuttles Discovery geriet zum Beinahe-Drama. Ein beim Start abgefallenes Stück der Tankisolierung hätte erneut hochriskante Schäden am Space Shuttle hervorrufen können. Dabei hatte die Untersuchungskommission des Columbia-Unfalls der NASA auferlegt, die Probleme mit abfallenden Trümmern zu beenden. Rund 200 Millionen Dollar wurden investiert, um diese Aufgabe zu meistern. Doch erstmal gibt es wieder ein Startverbot: Weitere Shuttle-Flüge sind auf Eis gelegt, bis die NASA ihr Pflichtenheft erfüllt hat. Derweil freut sich NASA-Chef Michael Griffin über "den saubersten Flug aller Zeiten" - weit weniger (Schaum-)Bruchstücke als sonst hätten sich vom Haupttank gelöst.

Wesentlicher Bestandteil des Shuttle-Programms, das zurzeit unter dem Motto "Return to Flight" steht, sind die Analysen aller Szenarios und Simulationen potenzieller Gefahren und Probleme für das runderneuerte Shuttle sowie für künftige Raumfahrzeuge. In vielen iterativen Prozessen wurden sie in den NASA-Forschungslabors berechnet, modelliert, visualisiert und analysiert. Wichtigstes Werkzeug dabei war ein neues Supercomputer-System von SGI (Silicon Graphics), das 2004 auf Beschluss verschiedener Abteilungen der US-Administration angeschafft und zu Ehren der ums Leben gekommenen Astronauten Columbia genannt wurde.

Er wolle "jeden Tag ein Wunder" haben, forderte Walter Brooks, Leiter der Abteilung NASA Advanced Supercomputing (NAS) im NASA Ames Forschungszentrum nahe San Francisco, wo auch Columbia steht. In nur 120 Tagen wurde der unter Linux betriebene Cluster aus 20 Knoten - Servern des Typs Altix 3700 (BX2) mit jeweils 512 Itanium-2-Prozessoren von Intel - fertig installiert. Schließlich musste für die Indienststellung nicht nur reichlich Programmcode neu- und umgeschrieben, sondern auch noch ein Gebäude für das Columbia-System umgebaut werden. Seit Monaten arbeitet es nun produktiv und war anfangs, im Herbst 2004, mit 59,1 Teraflops pro Sekunde kurzfristig der schnellste Computer der Welt. Inzwischen schaffen zwei Superrechner aus IBMs BlueGene-Familie in Benchmarktests mehr Teraflops. Brooks sieht diese jedoch als Laborsysteme, die sich noch nicht so im täglichen Einsatz bewähren wie der NASA-Superrechner: "Die schnellste Produktionsmaschine weltweit ist Columbia."

Ein Wunder jeden Tag

150 Millionen Dollar über drei Jahre, ein Gutteil des NASA-IT-Budgets, benötigt Columbia für sich, alle Ausgaben für Hard- und Software, Netzwerke und Personal eingerechnet. "Columbia ist ein kritischer Faktor für die Zukunft der NASA", erklärt NASA-Chef Griffin die enormen Investitionen. Das Wissenschaftliche Höchstleistungsrechnen war bislang nicht die große Stärke der NASA, sagt Brooks. Doch nun sei mit dem neuen System eine integrierte Simulationsumgebung entstanden, die ihresgleichen suche.

Zahllose Simulationen wurden seit letztem Herbst gefahren, auch ältere Analysen hat Columbia noch einmal verifiziert. Aerodynamische Kräfte und Strömungen wurden berechnet und visualisiert, genauso Probleme wie immer wieder auftauchende Risse in Treibstoffleitungen des Hauptantriebs, welche die Shuttle-Flotte seit vielen Jahren plagen. Für viele der Aufgaben wurde eine Reihe aufwendiger numerischer Strömungsmechanik-Simulationen (Computational Fluid Dynamics - CFD) kreiert. Deren Gleichungen und anfallende Datenmengen sind so komplex, dass sie sich nur mit parallelen Höchstleistungsrechnern wie Columbia in annehmbarer Zeit lösen lassen. Zufrieden hebt Brooks hervor, dass Kalkulationen, die früher zehn bis zwanzig Tage in Anspruch nahmen, dank Columbia heute nur noch einen Tag dauern.

Diverse aerodynamische Modelle möglicher Trümmerteile, ihrer Formen und Flugbahnen wurden erstellt, Programme zur Vorhersage von Kollisionsmöglichkeiten und -geschwindigkeiten sowie 3D-CFD-Simulationen für die schnelle Berechnung von Kollisionsauswirkungen entwickelt. Alle Parameter experimentell zu untersuchen, war von Anfang an als zu kosten- und zeitaufwendig beurteilt worden. Aber auch die Simulationen der Auswirkungen eines Trümmeraufpralls auf die Hitzekacheln brauchten ihre Zeit: acht Rechnerknoten à 512 CPUs waren 24 Stunden lang damit beschäftigt. Sie zeigten, dass sich ein abfallendes Trümmerteil "wie ein fallendes Blatt" verhält, erklärt Brooks, "also eine ganze Menge potenzieller Flugbahnen einnehmen kann, über einen viel größeren Bereich hinweg, als manche dachten."

Als wäre es eine Vorahnung gewesen, berichtete Brooks im Juni auf einer Tagung in München, dass Columbia auch angeschafft worden war, weil "nur solche Supercomputer Daten auch während eines Fluges analysieren können, sodass genügend Zeit bleibt, um auf eine unvorhergesehene Situation reagieren zu können." Und prompt musste Columbia seine Reaktionsfähigkeit unter Beweis stellen: Rund 30 Wissenschaftler analysierten zusammen mit dem Großrechner die Ablösung des Isolationsstücks, stellten aber kein Problem fest. Hektik auch, als Kameras zeigten, dass zwei Füllstreifen zwischen den Fugen der Hitzekacheln des Shuttles hervorstanden. Hierbei war besonders prekär, dass extensive Simulationen auf dem Columbia-System sowohl einen guten als auch negativen Ausgang des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre ergaben. Bevor Astronaut Steve Robinson die hervorstehenden Streifen glücklicherweise einfach herauszog und so das Problem löste, lauteten die Alternativen: Keine Gefahr entstehe, weil die Füllstreifen abbrennen werden. Ungut hingegen das zweite Szenario, nachdem durch Turbulenzen an den Streifen die Hitzekacheln um bis zu 25 Prozent höherer Hitze ausgesetzt und gefährlich beschädigt würden - eine schreckliche Bedrohung für die hinter ihnen sitzende Besatzung. Zeitgleich wurde dann noch ein loses Stück Isolationsfolie nahe einem Shuttle-Fenster entdeckt. Der vierte Ausstieg aus der Discovery stand zur Debatte, doch weitere Simulationen und Experimente beruhigten die Verantwortlichen. Eine Reparatur des Hitzeschutzes sei nicht nötig, und es bestehe keine Gefahr beim Wiedereintritt in die Atmosphäre.

Ein Wunder jeden Tag

Die Arbeit von rund 700 Forschern, die den Columbia-Supercomputer bereits nutzen, dreht sich nicht nur um die Technik - auch der Mensch im All ist für die NASA-Wissenschaftler und Kollegen anderer Institute ein zentrales Forschungsgebiet. So wird etwa am "Digitalen Astronauten" gearbeitet, mit dem sich die Leistungsfähigkeit während eines Weltraumflugs simulieren lassen soll. Ein virtueller Mensch soll einst bis auf die zelluläre und molekulare Ebene komplett modelliert und simuliert werden. Gegenwärtig arbeiten die Forscher an Fluiddynamik-Simulationen der Blutversorgung des Gehirns, um festzustellen, welchen genauen Einfluss veränderte Schwerkraft darauf hat, vor allem für künftige längere Aufenthalte im All.

Wenn sich Columbia gerade nicht mit Raumfahrt-Themen beschäftigt, geht das System auch mal Meteorologen zur Hand. Zusammen mit Forschern des internationalen ECCO-Konsortiums entwickelte die NASA zum Beispiel ein hochauflösendes (5 Kilometer) globales Ozean-Meereis-Zirkulationsmodell, das momentan nur mit Columbia berechnet werden kann. Zehn Tage Rechenzeit braucht die Maschine für ein simuliertes Jahr im 3D-Modells. Mit einem etwas geringer auflösenden Modell (28 Kilometer) kann bereits fünf Tage im Voraus prognostiziert werden, wo in den USA ein Hurrikan auf Land trifft. Bis dahin lag die Vorwarnzeit bei zwei Tagen. Insgesamt laufen derzeit rund 60 Projekte bei Columbia, darunter Forschung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Molecular Modelling, über Einflüsse des Sonnenwetters auf Kommunikationssatelliten und die Formierung der Milchstraße.

(Entnommen aus Technology Review Nr. 9/2005; das Heft können Sie hier bestellen. (wst)