Pietro Zanarini (editor)
La soluzione di problemi industriali di notevole complessita' e' necessariamente basata sulla ricerca, che sempre di piu' richiede multidisciplinarita' per attaccare i problemi nei suoi vari aspetti. Essenziale e' oggigiorno l'uso di tecniche di simulazione numerica, su potenti workstation come pure su calcolatori paralleli, interconnessi tra di loro da reti efficienti, e utilizzando la visualizzazione scientifica per interpretare le enormi moli di dati generati. Al CRS4, il centro di ricerca voluto dalla Regione Sardegna e presieduto dal Premio Nobel Carlo Rubbia, si scommette proprio su questi ingredienti.
La velocita' di sviluppo industriale ed economico di un Paese e' strettamente legato alla sua capacita' di ottenere risultati innovativi nei Laboratori di Ricerca e Sviluppo connessi con l'Industria.
Uno degli elementi focali della recente evoluzione della ricerca pura e applicata e' l'utilizzo sempre maggiore di sofisticati strumenti offerti dalle tecnologie di Modellistica Matematica e Simulazione Numerica, allo scopo di ottenere una piu' accurata comprensione del fenomeno che si sta studiando o dell'oggetto che si sta progettando. Tale rappresentazione a modelli richiede l'utilizzo sempre piu' massiccio di calcolatori ad alte prestazioni e ricerche specifiche in campi quali la Matematica Applicata, il Calcolo Parallelo, la Visualizzazione Scientifica e le Comunicazioni dei dati ad alta velocita'.
La simulazione, assieme alla sperimentazione diretta in Laboratorio, e' il modo migliore per provare e predirre il comportamento del sistema in esame.
Questo approccio emergente si situa fra la ricerca teorica e la sperimentazione. Esperimenti costosi e lunghi da eseguire sono rimpiazzati da modelli al computer, ottenendo cosi' risultati accurati in un tempo nettamente piu' breve. Nel prossimo futuro la competitivita' industriale dipendera' sempre di piu' da:
Il CRS4 (Centro di Ricerca, Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna) e' un Centro di Ricerca internazionale, la cui missione principale e' lo sviluppo di tecniche avanzate di simulazione al computer e la loro applicazione alla soluzione di problemi di calcolo scientifico particolarmente impegnativi.
L'attivita' di ricerca al CRS4 e' caratterizzata da:
Il CRS4, in stretta cooperazione con l'Industra, il mondo Accademico e i piu' avanzati Laboratori Scientifici europei e americani, vuole rappresentare inoltre la scintilla per la nascita del Parco Scientifico e Tecnologico della Sardegna, punto focale di attrazione per ricerche industriali di alto valore tecnologico.
Tra le motivazioni che sono state all'origine della nascita del CRS4 possiamo elencare le seguenti:
Il CRS4 e' una infrastruttura necessaria (sebbene, ovviamente, non sufficiente) per uno sviluppo high-tech della Sardegna, alla luce soprattutto di una piu' stretta integrazione europea e in generale della politica di unione degli sforzi per la ricerca che gia' da tempo sta perseguendo il mondo dell'industria, per esempio mediante collaborazioni in consorzi.
Il CRS4 e' una Societa' Consortile a Responsabilita' Limitata, senza fini di lucro, fondata il 30 Novembre 1990 da Consorzio Ventuno, quale rappresentante della Regione Autonoma della Sardegna, IBM-SEMEA e TECHSO; successivamente e' entrata a far parte del consorzio la SGS-THOMSON.
Presidente del CRS4 e' Carlo Rubbia, premio Nobel per la Fisica nel 1984, Direttore Generale del CERN, il Laboratorio sulla Fisica delle Particelle di Ginevra.
Amministratore Delegato, responsabile per la parte scientifica, e' Paolo Zanella, Universita' di Ginevra e CERN.
Attualmente al CRS4 lavorano quasi un centinaio di ricercatori, inclusi alcuni visitatori di universita' e centri di ricerca di vari Paesi. La struttura della ricerca vede una suddivisione in Gruppi e Progetti:
Di seguito descriviamo piu' in dettaglio le attivita' e le motivazioni alla base di ognuno dei Gruppi e dei Progetti del CRS4.
Il Gruppo di Matematica Applicata e Simulazione,diretto da Alfio Quarteroni, e' particolarmente interessato nello sviluppo, nell'analisi e nell'applicazione di modelli, metodi, e algoritmi per la simulazione numerica di problemi di grande scala, di interesse nelle scienze applicate e nell'ingegneria come - ad esempio - il moto turbolento di fluidi, il traswww di calore e la combustione, i fenomeni di traswww e diffusione di inquinanti nell'atmosfera e nel sottosuolo.
Come e' noto, i modelli matematici che descrivono la maggior parte dei fenomeni sopra descritti sono basati su equazioni differenziali a derivate parziali, la cui soluzione analitica presuppone nella maggior parte dei casi assunzioni semplificative che ne limitano la generalita'. Difficilmente tali modelli possono quindi essere utilizzati per fare predizioni quantitative relative a fenomeni di natura complessa, dominati da effetti non lineari, quali sono quelli di interesse nelle applicazioni industriali.
Tuttavia, il recente sviluppo della tecnologia dei calcolatori elettronici e il parallelo impulso che la ricerca nelle matematiche applicate e nell'informatica ha avuto come conseguenza, ha fatto progressivamente emergere un diverso paradigma operativo in cui la simulazione numerica di modelli matematici complessi viene ad affiancare (ed in certi casi addirittura a sostituire) la sperimentazionein laboratorio o in galleria del vento, integrandone e talora affinandone i risultati.
La simulazione presuppone peraltro la disponibilita' di elevate potenze di calcolo, lo sviluppo di tecniche numeriche specifiche che forniscano soluzioni accurate anche con modelli fisici sofisticati, e di algoritmi fficienti per la risoluzione di sistemi di equazioni algebriche.
In questa direzione, il Gruppo di Matematica Applicata e Simulazione lavora attivamente. Oltre allo sviluppo di algoritmi e metodi di base per la soluzione numerica di equazioni differenziali alle derivate parziali (Differenze Finite, Volumi Finiti, Metodi Spettrali, Elementi Finiti) si e' interessati all'implementazione di queste tecniche in codici di calcolo efficienti, robusti, affidabili e di facile utilizzazione. Una parte del lavoro di ricerca del Gruppo di Martematica Applicata e Simulazione e' quindi dedicata allo sviluppo ed implementazione di codici di calcolo "general purpose" per la risoluzione di problemi differenziali. Questo lavoro, focalizzato allo studio della stabilita' e della accuratezza di vari algoritmi implementati, ha originato due librerie software, basate rispettivamente su metodi spettrali e metodi ad elementi finiti. Le librerie implementano una classe piuttosto ampia di moderni metodi ed algoritmi e sono organizzate nella forma di una collezione di nuclei computazionali, facilmente utilizzabili.
Il Gruppo di Matematica Applicata e Simulazione ha inoltre indirizzato una parte consistente della propria attivita' di ricerca alla specializzazione delle meodologie sviluppate a campi applicativi particolari, come la termofluido-dinamica, l'idrodinamica, e la magneto-idrodinamica, nella convinzione che cio' sia di particolare interesse per il modo industriale, soprattutto se mirato all'individuazione di appropriate metodologie numerico-sperimentali da utilizzare nella pratica di progettazione.
Molte delle tecniche numeriche oggetto di ricerca trovano difatti applicazione in molteplici campi, tra cui lo studio del comportamento aerodinamico delle ali di velivoli militari e civili e delle vele delle imbarcazioni da regata, delle schiere delle turbine. In questa specifica area, l'obiettivo del lavoro di ricerca condotto dal Gruppo e' lo sviluppo di metodi numerici per il calcolo di flussi gassosi, viscosi e turbolenti, attorno a corpi con geometrie complesse.
Il Gruppo e' inoltre impegnato nello sviluppo di un codice per la simulazione di processi combustivi (in cooperazione con il Progetto di Microdinamica e Combustione).
Un'altra area di applicazione delle metodologie sviluppate dal Gruppo, e' rappresentata dallo studio della circolazione delle correnti in vicinanza delle coste, di interesse per la costruzione di porti e per la previsione dei fenomeni di erosione dei litorali.
In questo settore, il Gruppo di Matematica Applicata e Simulazione ha condotto - in collaborazione con i centri di ricerca ENEL - una ricerca sui metodi numerici per la modellazione di correnti lente in acque poco profonde (Shallow Water). Ci si e' interessati essenzialmente alla modellazione fisico-matematica del problema, e si sono realizzati diversi codici di calcolo che implementano vari metodi di discretizzazione (Differenze finite, Elementi finiti, Volumi Finiti). Sono previste applicazioni dei codici sviluppati a situazioni realistiche quali lo studio delle correnti marine nel tratto di mare tra la Sardegna e la Corsica.
Un altro esempio di queste ricerche e' fornito dallo studio della turbolenza in regime magnetoidrodinamico. Essa e' presente in molti fenomeni di interesse fisico, che vanno dall'astrofisica (l'atmosfera solare, il vento solare) ai plasmi di laboratorio (traswww turbolento nelle macchine tokamak per la fusione termonucleare controllata). In questo caso la simulazione e' resa complicata dalla presenza di numerose scale di tempi e di lunghezze e deve venire affrontata con metodi ad elevata precisione (Metodi Spettrali).
Ulteriori aree in cui le metodologie sviluppate trovano applicazione sono rappresentate dalla modellistica dei dispositivi microelettronici e dallo studio di tecniche di simulazione di problemi inversi e nelle loro applicazioni a problemi di interesse industriale (per esempio, la tomografia sismica e lo studio della propagazione delle onde nel sottosuolo, di utilita' nella prospezione petrolifera) e in queste aree il Gruppo di Matematica Applicata e Simulazione e' attivamente impegnato in vari progetti di ricerca, in cooperazione con industrie e con altri gruppi di ricerca.
Agli inizi degli anni 80 sono apparsi sul mercato i primi processori a 32 bit contenuti in un singolo chip. E nata a questo punto l'idea di metterne insieme un certo numero per farli cooperare alla risoluzione di un problema singolo. I vantaggi di quest'approccio sono subito evidenti: per aumentare le prestazioni basta aumentare il numero di processori che costituiscono il calcolatore parallelo. Dato che si usano componenti prodotti in massa il costo e' contenuto e l'affidabilita' alta.
Nel contempo la tecnologia dei supercalcolatori vettoriali ha fatto passi da gigante e si e' oggi posizionata ai limiti delle sue potenzialita' tecnologiche. L'idea di migliorare costantemente la prestazione di un singolo processore e' destinata a scontrarsi ben presto contro i limiti fisici. Poiche' la velocita' della luce e' finita e la dimensione di un singolo processore non puo' essere ridotta arbitrariamente, ne consegue l'impossibilita' di aumentare indefinitamente la velocita' del singolo processore. Inoltre questa strada sta diventando sempre piu' costosa.
Il calcolo parallelo al contrario non ha mostrato limiti intrinseci perlomeno fino al Teraflops (1000 miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo). Benche' oggi una macchina con queste prestazioni non sia disponibile, il cammino tecnologico da percorrere per arrivarci e' chiaramente delineato e le aspettative del mercato sono che essa venga commercializzata nella seconda meta' del decennio.
Con l'avvento del calcolo parallelo la simulazione numerica diventera' disciplina matura, nel senso che sara' parte fondamentale e irrinunciabile del processo produttivo. Con capacita' di calcolo di questi livelli sara' possibile simulare in tempo reale lo scontro di autoveicoli, le deformazioni meccaniche di strutture complesse, gli effetti aerodinamici su veicoli commerciali, ecc. Il progettista avra' a disposizione un nuovo strumento, la sperimentazione numerica. Potra' cosi' valutare un gran numero di soluzioni ammissibili e rimandare alla realizzazione di prototipi solo quelle che si dimostrino piu' promettenti. La sperimentazione numerica accelerera' pertanto il ciclo di progettazione-produzione al punto che non si potra' fare a meno di questo strumento.
Un tale obiettivo verra' raggiunto sviluppando modelli numerici su grande scala e software applicativo affidabile necessario a gestire la complessita' delle macchine parallele. Questo e' il ruolo che il Gruppo di Calcolo Parallelo, diretto da Pietro Rossi, intende ricoprire.
Sono gia' state avviate collaborazioni con alcune realta' industriali che hanno individuato nel supercalcolo una componente strategica per il loro sviluppo e con loro e' stata intrapresa la realizzazione di pacchetti applicativi.
Campi di ricerca nei quali il gruppo realizza algoritmi paralleli sono la migrazione di dati sismici per la prospezione petrolifera, l' analisi strutturale con il metodo degli elementi finiti e la dinamica molecolare di molecole rigide. Inoltre il gruppo e' impegnato nella parallelizzazione di un codice per la rivelazione di particelle in fisica delle alte energie. Infine e' stata realizzata una libreria di classi C++ che rende trasparente all'utente il calcolo distribuito su cluster di workstation.
La Visualizzazione Scientifica e' quella disciplina dell'informatica che permette di tradurre i numeri in immagini, aiutando gli scienziati a trovare ("vedere") quelle soluzioni che altrimenti difficilmente si sarebbero evidenziate.
La scienza moderna, grazie all'utilizzo di computer sempre piu' potenti, produce cosi' tanti numeri che nessun essere umano puo' ragionevolmente analizzare. La descrizione di una singola proteina, per esempio, implica centinaia di migliaia di valori numerici. Quando la sonda Magellano fece una mappa parziale di Venere, i dati consistevano di circa 28 miliardi di numeri.
Per analizzare un fenomeno si comincia con lo stabilire un "modello fisico" di tale fenomeno, quindi se ne deriva un "modello matematico" e da esso, infine, un "modello computazionale" che viene inserito nel computer. Visualizzando i risultati di quest'ultimo modello i ricercatori verificano la correttezza dei tre modelli implicati e ne adottano le opportune modifiche. Spesso bastano pochi dati in ingresso per generare dati in uscita piu' velocemente di quanto si possa memorizzarli o, peggio ancora, di quanto lo scienziato possa comprenderne il significato.
Emblematico e' l'esempio che si fa a proposito dei dati dell'atmosfera terrestre, forniti dai tanti satelliti appositamente inviati. Se alcuni anni fa si fossero analizzate le grandi quantita' di dati relative alla densita' dello strato di ozono con strumenti (hardware e software) come quelli attualmente disponibili, si sarebbe potuto prevedere il buco di ozono sull'Antartico con almeno due anni di anticipo.
Mentre il "cervello" di un computer ragiona con numeri, il cervello umano ha bisogno di una traduzione di questi numeri in un qualcosa di piu' globale, di piu' stimolante per i nostri sensi. La traduzione dei numeri in una immagine, in una serie di immagini, in una animazione, aggiungendo anche la possibilita' di interagire (e quindi, modificando opportuni parametri, di vedere in tempo reale come cambia il risultato), questo e' appunto lo scopo della visualizzazione scientifica: la "comprensione" dei dati che stanno sotto, non la semplice presentazione piu' o meno esteticamente valida. Essa e' uno strumento per comunicare, insegnare, scoprire, capire. Si stima che circa il 50 % dei neuroni del cervello umano siano associati con la visione. La visualizzazione scientifica si prefigge di mettere al lavoro tale enorme macchina neurologica.
L'attivita' del Gruppo di Visualizzazione Scientifica, diretto da Pietro Zanarini, spazia in vari campi delle Scienze Computazionali come pure nella Computer Graphics fondamentale. Alcuni soggetti di ricerca e relative applicazioni sono illustrati nei prossimi articoli di questa rivista.
Collaborazioni sono state intraprese con alcune universita' americane su soggetti relativi all'utilizzo di multimedialita' e realta' virtuale applicate all'insegnamento e alla simulazione e visualizzazione in ambito medicale. In quest'ultima area, in particolare, il Gruppo di Visualizzazione Scientifica ha stabilito collaborazioni con vari ospedali, per mettere in pratica alcune tecniche sperimentali relative all'analisi e visualizzazione di dati da TAC e MRI. E' interessante notare che queste ricerche si prestano ad interessanti applicazioni industriali, come, per esempio la rilevazione di fratture in materiali sotto sforzo, la 'radiografia' tridimensionale di oggetti artistici (es. statue), la rivelazione di esplosivi in detector aeroportuali, la valutazione di efficacia di camere di combustione mediante rappresentazione volumetrica diretta (es. ray-tracing) delle diverse specie chimiche presenti, etc.
Concludendo, si puo' inoltre affermare che e' sempre di piu' irrinunciabile l'utilizzo di sistemi interattivi e 'user-friendly', dispositivi di interfaccia tridimensionali, animazione al computer delle simulazioni e utilizzo di multimedialita' per ottenere la miglior rappresentazione visiva e la comprensione delle enormi moli di dati generati dalle odierne simulazioni o acquisite da strumenti di laboratorio, e quindi la comprensione del problema stesso.
Dal punto di vista organizzativo il gruppo Computers & Networks, diretto da Roman Tirler, oltre alle ricerche e sviluppo di infrastrutture di telecomunicazione dati, e' anche responsabile dei sistemi di calcolo.
1. Rete locale:
Per quanto concerne la rete locale di trasmissione dati del CRS4, si e' optato per una rete Ethernet a topologia stellare su cavo UTP (unshielded twisted pair) utilizzando concentratori Synoptics scelti dopo un'attenta analisi di mercato. La rete realizzata puo' collegare fino a 200 punti distribuiti sui sei piani del palazzo di cui un centinaio sono gia' utilizzati per le stazioni di lavoro. La gestione delle rete utilizza sistemi sofisticati come SunNetManager e LattisNet, che permettono di sorvegliare ogni punto di connessione, controllare il traffico e fare delle statistiche.
E' inoltre in fase di realizzazione un potente sistema distribuito, ottenuto collegando potenti stazioni di lavoro a uno switch FDDI della Digital. In una seconda fase e' previsto l'utilizzo di uno switch ATM in ambiente locale.
2. Rete geografica:
Il CRS4 ha ottenuto di far parte della rete Internet quale rete di Classe B con il dominio crs4.it. Esso e' anche un nodo EASINET, il che permette di utilizzare la connessione T1 (CERN-Cornell) per comunicare con gli Stati Uniti. Il CRS4 e' in grado di comunicare tramite posta elettronica attraverso le reti Internet e EARN/Bitnet via gateways.
Il CRS4 e' connesso alla dorsale della rete italiana della ricerca (GARR), attraverso il Polo GARR di Cagliari. Questo collegamento e' ottenuto attraverso la rete pubblica sperimentale a commutazione veloce di pacchetto(CLAN).
3. Collaborazione con Enti Pubblici e industria:
In collaborazione con IBM e' stato sviluppato un sistema che permette la sottomissione di programmi paralleli PVM in modalita' batch. Questo sistema, realizzato modificando il codice NQS e' utilizzato sul cluster eterogeneo di stazioni di lavoro precedentemente descritto e verra' sfruttato nella nuova macchina parallela IBM (SP1).
In collaborazione con la SIP e l' Italtel sono state effettuate prove di funzionamento e misure di performance sui possibili tipi di collegamento della rete CLAN (bridge, router, frame-relay). L'utilizzazione dell'interfaccia frame-relay si potra' vedere allo SMAU (vedi Riquadro 9 "Dimostrazione di un collegamento Frame Relay a 2 Mbit/s tra SMAU e CRS4").
E' in corso un programma comune di ricerca applicata in collaborazione con alcuni ospedali e cliniche universitarie. E' gia' conclusa la fase preliminare che comprende la realizzazione di una rete locale. Si prevede ora di integrare i sistemi di acquisizione dati medici (TAC, MRI, etc.).
Lo scopo principale del progetto, diretto da Enrico Clementi, e' la creazione di una libreria interconessa di sofisticati programmi di tipo scientifico/ingegneristico, allo scopo di permettere maggiore produttivita' ai ricercatori delle istituzioni accademiche e della industria nella soluzione di problemi reali nei campi della chimica computazionale, fisica e ingegneria chimica.
Un altro attivo campo di attivita' e' il calcolo quantomeccanico di tipo Hartree-Fock, Dirac-Fock, e funzionali della densita'. I programi di calcolo usati per le techniche sopra elencate sono spesso scritti dai ricercatori stessi.
Fra le applicazioni di queste metodologie si puo' citare la determinazione delle velocita' di reazione in processi chimici, attraverso il calcolo delle superfici di reazione. Queste sono ottenute mediante calcoli quantomeccanici, ab-initio o semiempirici. Usando la 'transition state theory' si ottengono le costanti di velocita' di reazione, i cui valori sono molto accurati per sistemi per pochi atomi, meno per sistemi con molti atomi o per reazioni che avvengono in soluzione. Queste ricerche rivestono particolare importanza per la chimica della combustione e per lo studio della velocita' di reazioni di prodotti inquinanti, come per esempio i composti NOx. Come e' noto, la chimica della combustione comprende anche gli studi sulle fiamme, sulle loro caratteristiche termiche, dinamiche, cinetiche, ecc.
In un campo piu' vicino alle tecniche di produzione industriale gli ingegneri di questo gruppo usano modelli matematici, generalmente di carattere fenomenologico, per simulare al calcolatore il comportamento sia di singole apparecchiature industriali, sia di un intero impianto. I modelli matematici servono a progettare (date le specifiche di produzione), simulare (prevedendo l'evoluzione del processo al variare delle condizioni operative, includendo la possibilita' di eventi straordinari), ottimizzare (ricercando le condizioni operative piu favorevoli), controllare (imponendo al processo un comportamento dinamico desiderato) e monitorare (ricavando le variabili di stato da misure facilmente effettuabili).
Il personale di ricerca di questo progetto ha acquisito competenze nella simulazione di nuovi materiali e delle loro caratteristiche eletroniche, ottiche e metalliche. Il modello di base e' la meccanica quantistica, applicata allo studio di molecole o polimeri in fase gassosa, liquida o solida. Grazie alla ricerca effettuata negli ultimi due anni, si possono ottenere risultati accurati non solo per composti contenenti atomi leggeri ma anche per quelli contenenti atomi pesanti. Per questi ultimi, un calcolo quanto-meccanico adeguato deve includere le correzioni relativistiche.
Il progetto di Biologia Macromolecolare, diretto da Giorgina Corongiu, ha tra i suoi obbiettivi quello di assicurare lo sviluppo di avanzati modelli teorici e computazionali nella quanto-mecanica e nella dinamica molecolare (stocastica, classica e quantistica). Il progetto utilizza tecniche e risultati del progetto di Chimica Computazionale per la descrizione delle interazioni dentro e tra le macromolecole. Una estesa rete di collaborazioni permea il lavoro di questo gruppo di ricerca. Notevole e' la competenza del gruppo nel campo della biochimica, nello studio delle relazioni tra la struttura di macromolecole (per esempio DNA, polipeptidi, proteine, enzimi, ecc.) e la loro attivita' biologica e farmacologica. E' da sottolineare in questo ambito il 'know how' dei ricercatori del gruppo nel derivare, a partire da principi primi, interazioni e forze (Force Field) fra i gruppi costituenti le macromolecole e nel condurre simulazioni di biomolecole in vacuo, in soluzione ed in strutture cristalline.
Particolare attenzione viene assegnata alla ricerca nel campo delle soluzioni acquose, in particolare, e dei liquidi e solidi in generale. Speciale enfasi e' rivolta al calcolo numerico ed alla interpretazione di spettri Raman e infrarossi, di esperimenti di diffusione elastica e inelastica di fasci di neutroni, di raggi X, e al calcolo delle proprieta' collettive (velocita' del suono, relazioni di dispersione) dei sistemi molecolari.
Alcuni ricercatori del gruppo studiano le proprieta' microscopiche, strutturali e termodinamiche di micelle colloidali, il comportamento di sospensioni di macro particelle vicino a superfici inerti e biologiche e il comportamento di film sottili (bidimensionali) sotto l'azione di forze esterne. Applicazioni possibili riguardano il campo dei detergenti, vernici, lubrificanti, colle, emulsionanti, membrane, ecc.
Lo scopo del Progetto di Combustione e Simulazioni Microdinamiche, diretto da Claudio Bruno, e' di elaborare prima modelli fisici di fenomeni che avvengono a livello molecolare e hanno importanza industriale, e poi di incorporarli in codici di calcolo e di simulazione, in modo da predirne le conseguenze.
Dette cosi', scopo e attivita' di questo Progetto suonano piuttosto astratti. In realta' l'importanza pratica dei fenomeni descritti e' enorme. Qualsiasi reazione chimica avviene tramite collisioni molecolari; in particolare il Progetto si occupa di quelle reazioni chimiche che pongono seri problemi all'industria. Tra queste le ovvie candidate in questi anni sono le reazioni che avvengono durante la combustione.
La predizione accurata di inquinanti (per esempio, dentro una centrale termica o in una turbina a gas industriale) e' estremamente difficile. Fino a che la CEE non ha cominciato ad emettere norme antiinquinanti non c'e' stato un vero problema per l'industria. Dopotutto, che si tratti di metano, o di oli combustibili, costruire un bruciatore abbastanza efficiente non era poi cosi' difficile. Per caldaie per uso domestico l'efficienza della combustione e' dell'ordine del 99 %. Il problema si pone quando si pensa che l'1 % residuo e' composto da inquinanti (incombusti come CO, idrocarburi formati dal processo di combustione e che non hanno fatto in tempo a bruciare, NOx, etc.). Come impedire che questo avvenga deve essere studiato in dettaglio. L'ingegnere tradizionale non puo' pensare di abbattere NO senza adeguata simulazione, perche' il ricorso al metodo tradizionale (in passato detto 'del taglia e cuci', e piu' modernamente 'by trial and error') e' diventato troppo costoso.
La simulazione dei fenomeni a scala piccola, come il traswww di molecole di combustibile da un iniettore nell'aria circostante, la combustione successiva (e, in generale, tutti i fenomeni di traswww a livello molecolare) diventa necessaria per risparmiare tempo e costi industriali. Si tenga presente inoltre che il mercato per centrali termiche, turbine a gas, bruciatori per riscaldo di prodotti siderurgici o per fabbricare vetri, o per forni rotativi che servono alla fabbricazione del cemento e' completamente soggetto alle norme CEE. Questo mercato, contrariamente alla forma mentis sviluppata da anni dalla presenza del Mercato Comune Europeo, non e' affatto europeo ma mondiale. L'industria italiana o tedesca non e' tanto in concorrenza con quella francese o olandese, quanto con i fornitori americani e giapponesi, i quali (da molti piu' anni) hanno dovuto adeguarsi a normative antinquinamento, e sanno bene il loro mestiere. In pratica, o l'industria europea sara' capace di progettare nuovi, piu' efficienti e meno inquinanti dispositivi per bruciare combustibili, o dovra' scomparire dalla scena mondiale per effetto della maggiore esperienza gia' accumulata da americani e giapponesi. E per far questo sarebbe antieconomico ricorrere ad anni di sperimentazione in laboratorio o con impianti pilota: la scorciatoia e' invece la simulazione, e la simulazione piu' accurata (=realistica) possibile.
Abbiamo fin qui parlato di flussi con reazioni chimiche e di combustione in particolare. Ma ci sono altri flussi reattivi (cioe' con reazioni chimiche al loro interno) meno frequenti, ma con altissimo valore aggiunto. Tra questi i flussi d'aria parzialmente dissociata dal calore attorno ad una navetta che rientra dall'orbita, o da una missione interplanetaria. Durante il rientro di HERMES o dello Shuttle americano l'aria viene riscaldata a migliaia di gradi dall'onda d'urto di prua, e il calore e specie chimiche formate vengono trasportate verso la superficie, che si riscalda. Prevedere con accuratezza questo traswww significa non solo costruire una navetta sicura per l'equipaggio, ma anche risparmiare sul peso dell'isolamento termico, e quindi aumentare il carico utile. Basta tener presente che il costo di messa in orbita bassa di 1 kg di carico utile e' dell'ordine di 12,000 dollari per rendersi conto dell'importanza dell'accuratezza di queste simulazioni. Risparmiare 500 kg di isolamento, perche' si e' dimensionata 'bene' la protezione termica (le famose 'mattonelle' dello Shuttle) significa aver fatto risparmiare al contribuente 6 milioni di dollari sotto forma di 500 kg di carico utile in piu' che possono essere venduti agli utenti della navetta.
In sintesi, questo Progetto si propone di sostituire almeno in parte la tradizionale sperimentazione in ambiente industriale con sperimentazione 'numerica'. Una campagna sperimentale per ottimizzare un nuovo iniettore per camera di combustione puo' prendere mesi di lavoro; una serie di 'run' per fare lo stesso ma con simulazione numerica degli stessi fenomeni puo' impiegare giorni. Il risparmio di tempo e costi, ovvio in questo esempio, dipende in realta' dalla bonta' della modellizzazione fisica e dall'accuratezza della simulazione.
Il Progetto di Modellistica Ambientale, diretto ad interim da Giovanni Barrocu, ha come obiettivo principale lo sviluppo e l'applicazione di modelli concettuali, fisici e numerici di particolare interesse per la regione Sardegna. Dato l'enorme interesse attuale a livello sociale, politico ed economico per le problematiche ambientali si e' cercato di definire delle linee di ricerca aventi come scopo non solo la conoscenza piu' approfondita di vari fenomeni fisici, ma anche quello di fornire alla comunita' in senso lato dei dati e degli strumenti utili per varie applicazioni.
Tra i risultati attesi possiamo citare una estesa banca di dati contenente parecchi anni di dati atmosferici, acquiferi, idrologici ed ecologici, vari modelli numerici per la simulazione della circolazione atmosferica, del traswww di contaminanti nel sottosuolo e dell'evoluzione di ecosistemi, ed infine la preparazione di esperimenti per la validazione e calibrazione dei modelli sviluppati. Nel complesso i risultati del progetto dovrebbero essere assai utili per una comprensione della dinamica dei processi ambientali a scala regionale in primo luogo, ma anche a piu' grande scala, nonche' per la pianificazione e progettazione di strategie per la gestione e il recupero delle risorse ambientali.
Il progetto e' diviso in cinque aree di interesse e sviluppo:
1. climatologia e variabilita' meteorologica: elaborazione con metodi statistici di serie storiche di dati superficiali atmosferici sulla regione Sardegna per costruire una banca di dati atmosferici di interesse per tutti i progetti ambientali, per individuare e caratterizzare gli scenari climatici tipici della regione e per valutare la variabilita' climatica interannuale in Sardegna;
2. modelli di circolazione atmosferica ad area limitata (LAM): messa a punto di un paio di modelli LAM ad alta risoluzione (15-20 km) che utilizzano direttamente i dati atmosferici del Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio-termine di Reading, UK. Di particolare interesse per questa linea di ricerca sara' lo studio dell'affidabilita' dei modelli con particolare rifermento agli scenari climatologici tipici e anomali individuati nell'analisi di tipo statistico e lo studio delle performance dei modelli all'aumentare della risoluzione spaziale;
3. modelli di flusso e traswww in mezzi porosi: sviluppo e validazione sperimentale di modelli per la simulazione di processi idrologici e chimici in acquiferi e bacini idrologici. Questi modelli descrivono processi quali evaporazione, infiltrazione, dispersione e assorbimento e sono di particolare interesse per lo studio dell'intrusione di acqua marina nelle falde acquifere, della migrazione di contaminanti nel sottosuolo e di fenomeni a grande scala che sono di interesse anche per i modelli di circolazione atmosferica;
4. modelli di ecosistemi: sviluppo di modelli concettuali e numerici per la descrizione e simulazione di processi idrologici, chimici e biologici in ecosistemi lagunari;
5. sistemi informativi geografici (GIS): sviluppo di una banca di dati ambientali con applicazioni di tecniche GIS per l'integrazione dei dati provenienti dalle diverse aree di interesse: meteorologia, idrologia, geografia ed ecologia per una migliore interpretazione dei risultati ottenuti e per la pianificazione degli eventuali interventi sul territorio.
Negli ultimi anni ci sono stati notevoli progressi nella biologia molecolare e in bioingegneria al punto che si cominciano gia' ad intravvedere possibili applicazioni a problemi medici ed industriali.
Tuttavia, l'utilizzazione pratica di queste scoperte, ad es. per lo screening pre-matrimoniale per la fibrosi cistica, e', con la tecnologia di analisi utilizzata ora, improponibile perche' troppo costosa.
Le tecniche sperimentali correntemente utilizzate, sono basate su una successione di complesse operazioni di biochimica che conducono dai dati iniziali fino al risultato senza bisogno di ulteriori manipolazioni. Esse hanno, pero', lo svantaggio di essere difficilmente automatizzabili e scalabili.
Per molti dei problemi di acquisizione dati non esiste solo la strada completamente "analogica" descritta sopra. spesso possibile (almeno teoricamente), ottenere gli stessi risultati facendo, in parallelo, molti piccoli esperimenti dalla biochimica "semplice", e analizzando poi i dati ottenuti con opportuni algoritmi. chiaro che la semplicita' degli esperimenti di biochimica deve essere compensata dalla sofisticazione degli algoritmi utilizzati per il riassemblaggio dei risultati parziali nel dato richiesto, e dalla potenza di calcolo impiegata.
Lo scopo del Progetto di Genetica Computazionale, diretto da Gianluigi Zanetti, e' di ricercare e sviluppare algoritmi computazionali, che, integrati con i protocolli sperimentali sviluppati dal Imperial Cancer Research Fund (Londra) ed altri laboratori, dimostrino la fattibilita' di questa strategia ibrida.
Oltre che allo sviluppo di tecniche direttamente connesse all'acquisizione di dati, il progetto si interessa anche di problemi connessi alla ricerca di "protocolli ottimali" e alla verifica, attraverso simulazioni, delle potenzialita' di tecniche sperimentali.
Per loro natura, molte delle procedure sperimentali utilizzate in biologia molecolare possono essere fatte corrispondere biunivocamente ad operazioni computazionali condotte su la corrispondente rappresentazione dei segmenti di DNA (liste dei simboli ACGT ). Si puo' sfruttare questa identita' tra l'esperimento fisico e il suo modello al calcolatore per poter sviluppare algoritmi che diano indicazioni allo sperimentatore su qual'e' l'esperimento minimo per realizzare un dato risultato.
In particolare ci stiamo concentrando sulla simulazione di tecniche sperimentali basate sulla ibridizzazione, quali, ad esempio:
1. "Sequencing by hybridization". Con questa tecnica si cerca di ricostruire, partendo dai risultati dell'ibridazione di un segmento di DNA sconosciuto con tutti i possibili segmenti di DNA di una data lunghezza, la sequenza delle basi del segmento sconosciuto;
2. "Hybridization fingerprinting". Con questa tecnica si cerca di ricostruire il riordinamento fisico di un insieme di spezzoni di un segmento (tipicamente molto lungo) di DNA, partendo dai risultati dell'ibridazione degli spezzoni con altri segmenti di DNA (probes).
In conclusione, la tecnologica della strumentazione per la genetica molecolare si sta sempre di piu' orientando verso una automatizzazione massiccia, dove il computer e' parte integrante, ed essenziale, delle procedure sperimentali.