Hoe wetenschappers en supercomputers drinkwater uit oceanen kunnen winnen
Zeewater ontzilten vormt een enorme uitdaging. Wetenschappers hebben mogelijk een oplossing, maar die vereist ontzettend veel rekenkracht.
Aleksandr Noy heeft grote plannen voor een uiterst kleine tool. Als senior onderzoekswetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory heeft Noy een groot deel van zijn carrière besteed aan het perfectioneren van het ontziltingsproces: het verwijderen van zout uit zeewater. Zijn handelsmerk is de koolstofnanobuis. In 2006 had Noy de moed om een radicale theorie te omarmen: misschien kunnen nanobuizen (superkleine cilinders die alleen zichtbaar zijn met een elektronenmicroscoop) worden gebruikt als ontziltingsfilters. Dit was afhankelijk van de grootte van de buisopeningen. De opening moest groot genoeg zijn om de watermoleculen door te laten, maar tegelijkertijd klein genoeg om de grotere zoutdeeltjes, die zeewater ondrinkbaar maken, te blokkeren. Wanneer er genoeg koolstofnanobuizen kunnen worden samengevoegd, heb je in potentie de meeste efficiënte machine ter wereld om schoon water te maken.
Hoe klein zijn koolstofnanobuizen?
De dikte van een spinnendraad
4000 nanometer
50 koolstofnanobuizen
elk 0,8 nanometer
De meeste collega's in het lab deden het idee af als sciencefiction. "Je kunt je haast niet voorstellen dat water door zulke kleine buisjes kan stromen," zegt Noy. Als de nanobuistheorie echter klopt, zou die een enorme winst opleveren: In veel regio's over de hele wereld is er momenteel sprake van een drinkwatertekort. Maar liefst 1,2 miljard mensen (ongeveer een zesde van de wereldbevolking) wonen in gebieden waar waterschaarste heerst. Ontzilting kan helpen, maar met de huidige infrastructuur kost het enorm veel energie (en dus geld) om het zeewater te verwarmen of te filteren met een complex filtersysteem. Als de nanobuisfilters werken, kunnen ze deze wereldwijde watercrisis aanzienlijk verminderen.
Aleksandr Noy
Senior onderzoekswetenschapper, Lawrence Livermore National Laboratory
Het team van Noy heeft een eenvoudig filtratie-experiment opgesteld en dit gedurende de nacht laten lopen. 's Ochtends troffen twee assistenten een plas op de vloer van het lab aan. Het water was zo snel door de nanobuizen gevloeid dat het kleine opvangreservoir was overstroomd. Onderzoekers bevestigden later dat water zes keer sneller door de koolstofnanobuizen stroomt dan door de filters die worden gebruikt in de huidige ontziltingsinstallaties.
Hoewel de plas niet eens zo groot was, is het wel een van de grootste ontdekkingen in de carrière van Noy. "Het was een spannend experiment, " herinnert hij zich, "met name omdat niemand wist wat we konden verwachten." Nu we weten wat we kunnen verwachten, blijft er één grote uitdaging staan, eentje die we, als we over voldoende rekenkracht beschikken, mogelijk kunnen overwinnen.
Gelukkig staan wetenschappers op de rand van een doorbraak die exascale computing wordt genoemd (in het geval van Google gaat dit waarschijnlijk om een hele reeks computers die in de cloud zijn verbonden). Exascale zal de krachtigste supercomputers van dit moment doen verbleken. Deze extreme verwerkingscapaciteit is van onschatbare waarde voor onderzoekers die proberen te achterhalen hoe ze nanobuizen kunnen toepassen in grote waterfilters. Deze buizen, en de miljarden moleculen die erdoorheen vloeien, zijn veel te klein om in detail te bestuderen en het fysiek testen van verschillende varianten is moeilijk en tijdrovend. Dankzij exascale-computermodelleringen kunnen deze piepkleine buisjes veel beter worden bestudeerd, wat het onderzoek naar ontzilting via nanobuizen zal versnellen. Deze technologie kan bijdragen aan een oplossing voor enkele van de moeilijkste milieuproblemen van dit moment.
Het vooruitzicht van exascale computing
Een enorme snelheidstoename kan bijdragen aan oplossingen voor uitdagingen die ooit als onoverkomelijk werden beschouwd, en kan leiden tot grote doorbraken.
-
Ontwikkeling van geneesmiddelen
Stel je voor dat je een biljoen mogelijke combinaties van geneesmiddelen moet doorpluizen om de behandeling te vinden die perfect is afgestemd op elk individu.
-
Weersvoorspelling
Meteorologen kunnen grote hoeveelheden gegevens verwerken, en zodoende mensen in gebieden die worden getroffen door extreme weersomstandigheden zodoende al vier weken van tevoren waarschuwen.
-
Vertaling
Realtime vertaling uit een andere taal wordt mogelijk een standaardfunctie op smartphones.
Voor diegenen die het technische jargon van Silicon Valley niet beheersen: 'exascale' is de term die wordt gebruikt om te verwijzen naar de rekenkracht die de volgende generatie supercomputers biedt. Een exascale-computer beschikt over de capaciteit om een triljoen (één miljard miljard) berekeningen per seconde te maken. Dat is bijna elf keer zo veel als de Chinese computer Sunway TaihuLight, de snelste computer die op dit moment wordt gebruikt. Dit is te vergelijken met de rekenkracht van circa 50 miljoen getetherde laptops.
Er is een wereldwijde wedloop aan de gang om de eerste exascale-computer te bouwen waarmee wetenschappers alles opnieuw kunnen onderzoeken, van de theoretische fysica tot de langetermijnvoorspellingen met betrekking tot het weer. Maar onderzoek zoals Noys zoektocht naar de toepassing van nanobuizen zal waarschijnlijk bij de eerste projecten horen die gebruik kunnen maken van de voordelen van extra rekenkracht.
George Dahl
Onderzoekswetenschapper, Google Brain-team
"Een sprong in rekenkracht zou een enorme winst opleveren voor de materiaalwetenschappen, ontwikkeling van geneesmiddelen en de chemie," zegt George Dahl, onderzoekswetenschapper van het Google Brain-team. Dahl legt uit dat het voor al deze onderzoeksgebieden nodig is om computermodellen van moleculen te bouwen, een activiteit die een aanzienlijke hoeveelheid rekenkracht vereist. "Dit zijn zeer trage berekeningen," zegt Dahl, "en dat geldt voor elk molecuul of materiaal dat we willen analyseren."
Maar dat is volgens Dahl nog niet alles. Wanneer machine learning, dat ook baat heeft bij de vooruitgang in het computervermogen, wordt toegepast op moleculaire simulaties, maak je een dubbelslag met betrekking tot de toename van de rekenkracht. "Je kunt machine learning gebruiken in combinatie met materiaalwetenschap om volledig nieuwe materialen te ontwikkelen."
Dit is precies het type ontwikkelingen dat tot een beter, betaalbaarder zoutwaterfilter kan leiden. En dat is niet de enige manier waarop exascale computing kan bijdragen aan een oplossing voor het waterprobleem op onze planeet.
Aangezien exascale computing uitzonderlijk geschikt is voor het verwerken van grote hoeveelheden data, kan deze technologie uitkomst bieden bij projecten zoals het werk dat (gedeeltelijk) wordt verricht door Google-engineers Noel Gorelick, medeoprichter van het Earth Engine-platform, en Tyler Erickson, een senior ontwikkelaar die zich voor het platform voornamelijk concentreert op watergerelateerde analyses. Het cloudplatform analyseert milieugegevens op wereldwijde schaal. Onlangs is er door Gorelick en het Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek van de Europese Commissie gewerkt aan een ambitieus project om hogeresolutiekaarten te maken van het wereldwijde oppervlaktewater. Door gebruik te maken van de Earth Engine-gegevens is voor meer dan 30 jaar aan satellietbeelden bestudeerd en heeft het team de ontwikkeling van de waterbronnen op aarde in de afgelopen decennia in kaart gebracht (en gemeten), waarbij verdwenen meren, opgedroogde rivieren maar ook nieuwe waterbronnen aan het licht zijn gekomen. Als alles tegelijkertijd zou zijn gedaan, zou alleen het downloaden van de benodigde gegevens al drie jaar hebben gekost. Dat is een behoorlijk archief, aldus Erickson, maar dankzij exascale computing kan het team nog meer (en veel sneller) informatie verzamelen om nog nauwkeurigere kaarten te produceren.
“Als we over meer rekenkracht zouden beschikken, zouden we ook nog andere gegevensbronnen kunnen analyseren,” vertelt Erickson. Hij onderstreept dat een exascale-computer in potentie de mogelijkheid biedt om meest ondergewaardeerde bron ter wereld aan te boren: burgerwetenschappers. Stel dat het project om al het water in kaart te brengen, zou worden opengesteld voor iedereen met een drone die HD-opnamen maakt. “Dat zou een spectaculaire hoeveelheid gegevens opleveren”, aldus Erickson. Middelbare scholieren die met een DJI Phantom over rivieren en riviermondingen vliegen, zouden videobeelden naar Google Cloud kunnen uploaden, waar de gegevens dankzij de exascale-capaciteit kunnen worden opgeslagen, aan de hand van de Google-basiskaart van de wereld geografisch worden gepositioneerd, worden geanalyseerd, en worden verwerkt in digitale cartografie. Deze democratisering van wetenschap in actie kan helpen bij landbouwplanning, regio's voorbereiden of rampen, of zelfs ecologische veranderingen in kaart brengen. (Omdat Google soortgelijke projecten bij andere organisaties wil stimuleren, kondigde het bedrijf in 2014 aan dat het een petabyte aan cloudopslag voor klimaatgegevens en 50 miljoen computeruren met het Google Earth Engine-platform doneert.)
Dahl voegt daar van zijn kant wel meteen aan toe dat flinke sprongen in de rekenkracht niet alle computerproblemen zullen oplossen. Volgens hem zijn de grootste voordelen afkomstig van toepassingen die we ons nog niet kunnen voorstellen. Hij trekt de vergelijking met de uitvinding van de microscoop, een apparaat dat heeft geleid tot levensreddende nieuwe ontdekkingen. "Misschien stuiten we op iets waar we nooit eerder aan hebben gedacht en wat opeens praktisch kan worden toegepast," zegt hij. "Misschien dat we ook iets zoals een microscoop kunnen bouwen, een compleet nieuwe tool die zal leiden tot compleet nieuwe ontdekkingen."
Slechts drie procent van al het water op aarde is zoet en drinkbaar
En slechts een fractie hiervan is toegankelijk.
High-performance computing wordt gemeten in FLOPS. De waarde kan worden toegepast op elke computer, van een laptop tot de snelste supercomputer ter wereld. Meer FLOPS staat gelijk aan meer snelheid, meer snelheid staat gelijk aan een hogere resolutie of de mogelijkheid om informatie gedetailleerder weer te geven, een hogere resolutie staat gelijk aan nauwkeurigere computersimulatiebeelden en -voorspellingen. Dit is met name waardevol voor organisaties zoals de National Oceanic and Atmospheric Administration, die gebruikmaakt van computers om weerpatronen, klimaatveranderingen en verstoringen in de oceanen en langs de kust te voorspellen.
Exaflop-systemen kunnen 1018 berekeningen per seconde uitvoeren (een één met achttien nullen).
De NOAA verwacht ergens in 2020 gebruik te gaan maken van exascale-systemen. "Het biedt ons de mogelijkheid om eerder en op een fijnere schaal nauwkeurigere weerswaarschuwingen af te geven om levens en eigendommen te beschermen," aldus Brian D. Gross, plaatsvervangend directeur High Performance Computing and Communications bij het instituut. Wetenschappers kunnen mensen in de aanloop naar extreme weersomstandigheden (zoals een verwoestende orkaan) helpen om zich hiertegen te weren en zodoende voor een hele regio de schade en het aantal slachtoffers zoveel mogelijk beperken.
Gross geeft een idee van de schaal van dergelijke rekenkracht door uit te leggen dat de afdeling in het eerste decennium van deze eeuw teraflopsystemen (een biljoen berekeningen per seconde) gebruikte, waarmee nauwkeurig grote weerskenmerken ter grootte van een staat konden worden gevolgd. Tegenwoordig gebruiken de systemen petaflops (een biljard berekeningen per seconde) en kunnen we nauwkeurig weerskenmerken ter grootte van een heel district volgen. Met exascale computing kan de NOAA veel verder inzoomen en veel meer details verzamelen, bijvoorbeeld om nauwkeurig onweersbuien ter grootte van een stad in kaart te brengen. Deze resolutie levert veel meer informatie op en laat veel beter zien hoe stormen (ongeacht hun omvang) zich gedragen en ontwikkelen. "Modellen met een hogere resolutie geven een nauwkeuriger beeld van grootschalige weersystemen zoals orkanen, waardoor we betere voorspellingen kunnen doen wat betreft de regenval en de koers van een storm," zegt Gross. Anders gesteld: over een paar jaar hebben onze weermannen en -vrouwen geen excuus meer wanneer ze er met hun vijfdaagse weersvoorspelling naastzitten. En we kunnen beter voorspellen waar en wanneer de volgende superstorm precies komt langsrazen.
Exascale computing kan een bijdrage leveren aan de oplossing voor het zoetwatertekort
Snellere supercomputers kunnen wetenschappers die onderzoek doen naar ontziltings- en zuiveringsfilters helpen om de hoeveelheid drinkwater in de wereld te aanzienlijk te vergroten.
De toegang tot zoet water is een wereldwijd probleem. Van de uitgeputte grondwaterlagen onder Saoedi-Arabië of de uitgedroogde grond van Brazilië tot de graanschuur van Amerika, waar de droogte zich als scheuren in het plaveisel uitstrekt over de Great Plains: overal ligt massale uitdroging op de loer. In een Amerikaans onderzoeksrapport uit 2012 werd zelfs geconcludeerd dat de waterschaarste impact heeft op de nationale veiligheid. De vraag naar zoet water zal rond 2030 naar verwachting 40 procent hoger liggen dan het wereldwijde aanbod.
Ramya Tunuguntla
Postdoctoraal onderzoeker, Lawrence Livermore National Laboratory
Stijgende temperaturen, minder regen, meer mensen, vervuiling en armoede: de uitdagingen die ten grondslag liggen aan de grote vraag, lijken op het eerste gezicht onoverkomelijk. Maar Aleksandr Noy blijft ervan overtuigd dat een exascale-computer hem kan helpen een nanobuismembraan te ontwikkelen om water te filteren en levens te redden. “Met een dergelijke hoeveelheid rekenkracht kunnen we voordat we naar het lab gaan, snel een simulatie uitvoeren”, zegt hij. "Dat is enorm nuttig, omdat wij onze energie zodoende kunnen richten op zinvolle experimenten." Er zijn nog allerlei aspecten die moeten worden uitgezocht: de precieze maten van de nanobuizen voor een goede waterdoorlating moeten nog worden vastgesteld, en niemand weet wat het beste membraanmateriaal voor de nanobuizen is en hoe ze moeten worden ingedeeld. "Bij veel van de nanobuismodelleringsonderzoeken, waarbij gebruik wordt gemaakt van simulaties, is er nog steeds sprake van een discrepantie met betrekking tot het aantal buizen," zegt Ramya Tunuguntla, een postdoctorale onderzoeker die met Noy samenwerkt. "Dat is een van de uitdagingen die we het hoofd moeten zien te bieden." Net als Noy is ze ervan overtuigd dat ze met een robuustere supercomputer de volgende stap in hun onderzoek kunnen zetten: "Met exascale computing kunnen we langere simulaties uitvoeren om meer gegevens te verzamelen."
In 2023 wordt er een nieuwe computer geïnstalleerd in het Livermore Lab. Met vier tot zes keer zoveel rekencapaciteit als het huidige systeem vormt deze computer met de naam Sierra waarschijnlijk de laatste stap voordat we dankzij exascale de prachtige HD-beelden kunnen zien die worden geproduceerd door een triljoen FLOPS. Het is overigens niet ondenkbaar dat exascale op dat moment al ergens anders wordt toegepast. Een van de toponderzoekers van Livermore zegt dat rond 2020 de eerste exascale-computers in Amerika in gebruik zullen worden genomen, maar dat China, de torenhoge favoriet in deze race, claimt later dit jaar of begin volgend jaar met een prototype te komen dat door sommigen ook wel de 'super-supercomputer' wordt genoemd.
Costas Bekas, tweevoudig winnaar van de Gordon Bell Prize en een exascale-expert bij het onderzoekslaboratorium van IBM Zürich, wijst erop dat exascale niet het eindstation is en dat de rekenkracht zal blijven toenemen. Hij voorziet dat we het universum ooit niet alleen op moleculair maar zelfs op atomair niveau kunnen bestuderen aan de hand van computermodellen.
"Exascale betekent dat we eindelijk binnen een acceptabele hoeveelheid tijd en met redelijke inspanningen uiterst complexe zaken kunnen ontcijferen, bijvoorbeeld hoe koolstofnanobuizen werken," aldus Bekas. "Exaflops zullen de planeet niet redden. Daarvoor hebben we te veel problemen. Ze zullen echter zeker bijdragen aan een betere, aangenamere wereld."
Ondertussen plaatsen Noy en Ramya Tunuguntla in het Lawrence Livermore Lab nog een nanobuismembraan in een testcel, zetten ze een schakelaar om en verzamelen ze nog meer gegevens. Het is heel goed mogelijk dat ze binnenkort met behulp van exascale computing de levens van miljarden mensen zullen veranderen.
RENE CHUN is schrijver en woont in New York. Zijn werk is verschenen in uiteenlopende publicaties, van The New York Times en The Atlantic tot Wired en Esquire.
Animaties van Justin Poulsen
Illustraties van Matthew Hollister
