KI hilft bei der Lösung eines der größten ungelösten Probleme der Physik

Forschern der ETH Zürich ist es erstmals gelungen, die Modellierung von Turbulenzen in Flüssigkeiten durch die Kombination von Strömungsmechanik und künstlicher Intelligenz zu automatisieren. Ihr Ansatz basiert auf der Kombination von Reinforcement-Machine-Learning-Algorithmen mit turbulenten Strömungssimulationen, die auf dem Supercomputer Piz Daint des Swiss National Supercomputing Center durchgeführt wurden.

Laut einer Beschreibung der Forschungsarbeit, die kürzlich in der Zeitschrift Nature Machine Intelligence veröffentlicht wurde, entwickelten die Forscher neue Algorithmen des verstärkenden maschinellen Lernens (Reinforcement Machine Learning, RL) und kombinierten sie mit einem physikalischen Ansatz zur Modellierung von Turbulenzen.

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"Vor 25 Jahren haben wir Pionierarbeit bei der Kombination von KI und turbulenten Strömungen geleistet", berichtet Petros Koumoutsakos, Professor am Laboratory for Computational Science and Engineering der ETH Zürich, in der Publikation. Vor einem Vierteljahrhundert waren die Computer noch nicht leistungsfähig genug, um diese Ideen zu testen. "Kürzlich haben wir erkannt, dass gängige neuronale Netze für die Lösung solcher Probleme nicht geeignet sind, weil in ihnen das Modell aktiv die Datenströme beeinflusst, die es ergänzen soll", sagt der Forscher. Die Wissenschaftler mussten auf einen anderen Ansatz des maschinellen Lernens zurückgreifen, bei dem der Algorithmus lernt, auf Muster im Bereich der turbulenten Strömungen zu reagieren.

Die Modellierung und Simulation turbulenter Strömungen ist in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik von entscheidender Bedeutung, von der Konstruktion von Autos bis zur Implantation von Herzklappen, von der Wettervorhersage bis zur Erklärung der Geburtsprozesse von Galaxien. Der Physiker Richard Feynman zählte das Phänomen der Fluidturbulenz zu den wichtigsten ungelösten Problemen der klassischen Physik. Sie ist nach wie vor ein intensives Studiengebiet für Ingenieure, Wissenschaftler und Mathematiker, die seit über sechzig Jahren Computermodelle für Flüssigkeitsturbulenzen erstellen und Strömungssimulationen durchführen.