AiiDAlab Software bringt die Forschung voran

Ein Forschungsteam unter der Leitung des Paul Scherrer Instituts PSI und der Empa hat nun neue Anwendungsfelder aufgezeigt: von der Atmosphärenforschung über die Steuerung von Experimenten bis zur Lehre.

Ob auf Smartphone, Tablet oder PC – am Computer haben wir es gerne komfortabel. Apps können mit wenigen Klicks oder Tippen auf den Bildschirm gestartet und eingestellt werden, und das alles mit intuitiver und ansprechender Grafik. Damit auch Forschende es ähnlich bequem haben, wenn sie komplexe Computersimulationen oder Datenanalysen ausführen, wurde die Benutzeroberfläche AiiDAlab geschaffen. Entwickelt wurde diese Software von einem Forschungsteam unter der Leitung von PSI und Empa. Nun stellte das Team im Fachjournal RSC Digital Discovery neue Anwendungen vor.

AiiDAlab basiert auf der Software AiiDA, die seit 2014 entwickelt wurde. Giovanni Pizzi war an beiden Entwicklungen von Anfang an führend beteiligt. Er leitet eine Forschungsgruppe am Zentrum für Computergestützte Wissenschaften, Theorie und Daten am PSI. «AiiDA ist hauptsächlich ein Workflow-Manager», erklärt Edan Bainglass, Postdoktorand in Pizzis Gruppe. «Das heisst, sie nimmt Forschenden die zeitraubende Arbeit ab, mehrere Simulationsprogramme von Hand zu starten, miteinander zu koordinieren und die Daten auszulesen.» Dennoch brauchte man zur Handhabung von AiiDA immer noch recht fundiertes Computerwissen, und die Bedienung erfolgte weitgehend über Eingabe in Terminals, also Textfenstern im Computer.

Ursprünglich für die Materialforschung entwickelt

«Unsere Vision für AiiDAlab war daher, eine benutzerfreundlichere Schnittstelle zu der komplizierten Computersoftware zu schaffen, sodass die Anwender sich ganz auf ihre Forschung konzentrieren können und dadurch schneller neue Erkenntnisse gewinnen», sagt Pizzi. Mithilfe einer grafischen Benutzeroberfläche können Forschende die gewünschte Simulations-Software auswählen und konfigurieren, den Rest übernimmt dann AiiDAlab: Vorbereitung und Ausführung der Simulationen, Auswertung der Ergebnisse und schliesslich deren grafische Darstellung.

Die ursprüngliche Zielgruppe für AiiDAlab waren Materialforschende, die auf der Suche nach neuen Materialien mit ganz bestimmten Eigenschaften eine Vielzahl von numerischen Simulationen durchführen müssen. AiiDAlab ermöglichte dies auch Forschenden ohne besondere Computerkenntnisse und war in der Materialforschung sehr erfolgreich. Doch in den letzten Jahren sahen Pizzi und seine Mitarbeitenden, dass ihre Software auch in vielen anderen Bereichen angewendet werden kann.

In der jetzt erschienenen Arbeit zeigen die PSI-Forschenden einige solcher Anwendungen, die von der Simulation der Erdatmosphäre bis hin zur Batterieentwicklung reichen. Bei der Empa zum Beispiel werden AiiDAlab-gesteuerte Simulationen benutzt, um damit aus Messungen in der Atmosphäre Rückschlüsse auf die Emission von Treibhausgasen zu ziehen. Die Empa nutzt AiiDAlab ausserdem zum automatisierten Charakterisieren von Batterien.

AiiDAlab unterstützt auch bei Experimenten

Das letzte Beispiel zeigt, dass AiiDAlab nicht nur für Simulationen, sondern auch in der Durchführung und Auswertung von Experimenten eingesetzt werden kann. Am PSI wird dies bereits genutzt, zum Beispiel am Neutronen-Streuexperiment CAMEA an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ. Dort liegt das Hauptaugenmerk darauf, Gastforschende zu unterstützen, die am PSI eigene Experimente durchführen. AiiDAlab erleichtert ihnen den sicheren Zugang zu den Datenspeichern des PSI, wo die Versuchsergebnisse aufgezeichnet werden. Mitunter handelt es sich um sehr grosse Datenmengen.

Entsprechend ist die Einrichtung eines Computerzugangs zur Ansicht und Analyse dieser Daten recht komplex für Personen ohne tiefere Fachkenntnisse. AiiDAlab übernimmt hier die Authentifizierung und die Orchestrierung des Datentransfers bis hin zur grafischen Darstellung der Ergebnisse in Echtzeit. «Die Nutzenden müssen nur noch einen Browser öffnen und sich in AiiDAlab einloggen», sagt Bainglass.

Durch die vereinfachte Handhabung von Simulationsprogrammen eignet sich AiiDAlab auch für die Lehre. Im Rahmen von Pilotprojekten sowohl während eines regulären Hochschulkurses als auch bei kurzen Workshops zeigte sich, dass Studierende mithilfe von AiiDAlab auch fortgeschrittene Forschungssoftware wie Quantum ESPRESSO für die Bearbeitung von Übungsaufgaben selbst ohne Vorkenntnisse erfolgreich einsetzen konnten.

Sowohl AiiDA als auch AiiDAlab wurden im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts MARVEL entwickelt und erhielten zudem mehrere weitere Schweizer und europäische Fördermittel.

«In Zukunft wollen wir den Anwendungsbereich von AiiDAlab weiter ausweiten, PSI-intern zum Beispiel auf andere Strahllinien an der SINQ, etwa ICON, wo Neutronen zur zerstörungsfreien Bildgebung eingesetzt werden», sagt Pizzi. Rückmeldung von Nutzenden, sowohl innerhalb des PSI als auch ausserhalb, ist ihm dabei äusserst wichtig.

Oliver Morsch, PSI