Fotoexcitované elektrony v komplexních strukturách uhlíkových teček

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-11 multiyear
Hlavní řešitel: Michal Otyepka
Instituce: Univerzita Palackého v Olomouci
Oblast: Materiálové vědy, 3 000 000 jádrohodin

Uhlíkové tečky byly objeveny teprve nedávno, a přesto dnes představují jeden z nejintenzivněji studovaných nanomateriálů. Jejich výborné fotoluminiscenční vlastnosti je totiž předurčují pro řadu aplikací, které sahají od LED světelných zdrojů, přes biologické zobrazování a medicínskou diagnostiku až k chemické katalýze. Je to i díky tomu, že je lze snadno a levně připravit, jsou stabilní a netoxické. Nicméně uhlíkové tečky velmi neochotně odhalují svá tajemství, což ztěžuje jejich racionální návrh a cílenou optimalizaci jejich vlastností. Počítačové simulace patří mezi užitečné nástroje moderního chemika, neboť dovolují zodpovědět otázky, které jsou pro experimenty velmi komplikované. Simulace už několik let využívá pro pochopení chování uhlíkových teček i skupina vedená Michalem Otyepkou. Díky výpočetnímu času, který získali na počítačích IT4Innovations, se budou moci věnovat mechanismu, jakým uhlíková tečka pohlcuje světelné záření, jak se pohlcená energie dále šíří strukturou tečky, a jak a proč dojde k jejímu vyzáření. Vědci předpokládají, že pokud porozumí tomuto mechanismu, umožní jim to cílený návrh uhlíkových teček a rozšíření jejich aplikací.

Urychlování částic na relativistické energie se za uplynulé století stalo jedním z nejvíce studovaných odvětví fyziky. Výstavba konvenčních urychlovačů je v dnešní době velmi nákladná, především kvůli jejich velkým rozměrům. Tento problém mohou vyřešit plazmové urychlovače. V nich je pomocí koncentrovaného laserového světla v plazmatu (ionizovaném plynu) vybuzena vlna se silným elektrickým polem. Na ní se elektrony zachytí a urychlují. Na plazmové vlně se tak chovají jako surfař na vlně ve vodě. Tato technologie umožňuje 1000x menší urychlovací délku než klasické urychlovače, a proto urychlovače mohou být mnohem kompaktnější. Při svém pohybu v plazmové vlně elektrony vyzařují intenzivní rentgenové záblesky. Pomocí náročných počítačových simulací jsme schopni navrhovat experimenty, které kvalitu rentgenových svazků pomáhají vylepšit. Plazmové urychlovače tak můžeme posunout blíže k praktickým aplikacím, jako je studium dynamiky procesů odehrávajících se na femtosekundových škálách, např. chemických reakcí a fázových přechodů, či vylepšení medicínských zobrazovacích technik.

Generování ultrakrátkých intenzivních rentgenových svazků

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-33
Hlavní řešitel: Dominika Mašlárová
Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Fyzika, 1 150 000 jádrohodin

Výpočetní modelování oběžných drah rychlých iontů v plazmatu tokamaku

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-34
Hlavní řešitel: Fabien Jaulmes
Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Fyzika, 1 000 000 jádrohodin

Technologie jaderné fúze by nám mohla umožnit vyrábět energii, aniž bychom do atmosféry vypouštěli velké množství skleníkových plynů nebo po sobě zanechávali radioaktivní odpad s dlouhým poločasem rozpadu. Koncepce tokamaku zahrnuje využití magnetického pole k udržení dostatečně horkého plazmatu, které v sobě udržuje fúzi. V současné době se v rámci mezinárodního projektu ITER staví v jižní Francii nový tokamak. V případě úspěchu by se jednalo o první zařízení svého druhu, které by produkovalo čistou energii.

Budoucí fúzní elektrárny budu založeny na samoohřevu rychlými částicemi helia o energii 3,5 Mev, které vznikají při fúzních reakcích. Budou také spoléhat na dodatečný ohřev neutrálním svazkem pro optimalizaci pohonu proudu a stability. Studium fyziky rychlých iontů v současných zařízeních připravuje půdu pro optimální provoz a konstrukci budoucích elektráren.

COMPASS Upgrade bude tokamak s velkým magnetickým polem (5 T), díky kterému bude možno zkoumat různé fyzikální jevy související s provozem budoucího tokamaku ITER. Plánuje se zejména systém vstřikování neutrálního světelného svazku (NBI) o energii 80 keV, který bude plazmu ohřívat pomocí externího výkonu 4 MW. Studium a modelování chování částic vzniklých při NBI by mohlo ovlivnit budoucí konstrukci experimentu. Experimenty COMPASS Upgrade otevírají příležitost studovat interakci rychlých iontů s okrajovým plazmatem.

Následující obrázek ilustruje posun v pochopení fyziky okrajového plazmatu díky výpočetnímu modelování. Je zde vidět vliv hustoty plazmatu a teplotních profilů v okrajové oblasti (Scrape-Off Layer nebo SOL) na ztráty rychlých iontů generovaných prostřednictvím NBI při různých orientacích svazku (poloměr tangence nebo Rtan).

Obrázek z [1]: Vlevo: kinetické profily použité k napodobení nepřítomnosti (zelená) nebo existence (červená) ramene hustoty SOL v COMPASS Upgrade (modelování scénáře F nebo #13450). Vpravo: vyhodnocení ztrát NBI pro celkový injektovaný výkon 1 MW: rameno (červené křivky) snižuje ztráty výměnou náboje (CX) pro všechny geometrie vstřikování, ale mírně zvyšuje ztráty iontů při kolmém vstřikování (Rtan < 30 cm). Celkově bude rameno hustoty přínosné pro výkony NBI.

 [1] F. Jaulmes et al 2021 Nucl. Fusion 61 046012

Magnetostrikce je fyzikální jev, při kterém proces magnetizace vyvolává změnu tvaru nebo rozměru magnetického materiálu. Magnetostrikční materiály se ve velké míře používají v mnoha technologických aplikacích, jako jsou senzory (snímače točivého momentu, snímače pohybu a polohy, snímače síly a napětí) a aktuátory (sonarové převodníky, lineární motory, rotační motory a hybridní magnetostrikční/piezoelektrická zařízení), kde je vyžadována vysoká magnetostrikce. Nedávno byl vyvinut program MAELAS [(verze 1.0) P. Nieves et al., Computer Physics Communications 264 (2021) 107964, (verze 2.0) P. Nieves et al., Computer Physics Communications (2021) 108197] pro automatizovaný výpočet magnetostrikčních koeficientů. V současné době je program MAELAS využíván v superpočítačích IT4Innovations k hledání nových magnetických materiálů s vysokou magnetostrikcí.

Magnetostrikce pomocí rozsáhlých výpočtů

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-10
Hlavní řešitel: Pablo Nieves
Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy, 6 000 000 jádrohodin

Teplotní vlastnosti cerium titanides

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-18
Hlavní řešitel: Andrzej Kadzielawa
Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy, 3 457 000 jádrohodin

Náš průmysl je stále založen na páře. V uhelných, plynových a jaderných elektrárnách vyrábí elektřinu voda, k jejímu ohřevu se používá palivo. To však přnáší značné problémy: (i) emise uhlíku; (ii) bezpečnost. Jaderná energie sice nevypouští téměř žádné emise CO2, ale po haváriích v Černobylu a Fukušimě se stala předmětem odporu. Přestože se konstrukce reaktorů založených na štěpení (štěpení atomových jader na dvě nebo více částic, při němž se uvolňuje přebytečná energie) výrazně zlepšila, existuje i jiná cesta. Čistý způsob: Termonukleární fúzní reaktory. Myšlenka je jednoduchá: reprodukovat stejný proces, jakým hvězda vyrábí energii. Fúze dvou atomů vodíku (H) na helium (He), viz [1].

Jinými slovy, parní stroj ohříváme malým umělým sluncem. Některá taková zařízení již fungují (jedno v Praze [2]), přesto je stále třeba vyřešit mnoho technických problémů. Jedním z nich je odčerpávání sálavého tepla plazmatu (teplota ~200 000 000 ℃, uzavřeného v silném magnetickém poli) do vody, tj. do stěny. Zatímco ekologická katastrofa nehrozí, samotné zařízení může být při nehodě poškozeno. Materiál pro stěnu reaktoru tedy musí odolávat tzv. scénářům selhání. Triviálně řečeno, musíme vzít v úvahu bombardování našeho materiálu ionty, atomy a molekulami vodíku (a jeho izotopů). Selský rozum nám říká, že stěna by měla být tvrdá, a z pohledu klasické fyziky by měly být atomy, z nichž je postavena, těžké. Z těchto aspektů je tedy možno vycházet: Wolfram (W) - těžký, ale stabilní a levný prvek s vysokou tvrdostí. Bohužel, zatímco ve vakuu je jeho výkon vynikající, na vzduchu wolfram výbušně oxiduje. Proto potahování stěn tímto prvkem nepřipadá v úvahu, protože film by mohl narušit tepelnou vodivost a být snadno poškozen plazmou.

Dalším logickým krokem je vytvoření slitiny wolframu s malým přídavkem prvku, který (i) má oxid, který nepropouští molekuly kyslíku (čímž vzniká provizorní, samoregenerační povlak); (ii) oxiduje minimálně stejně rychle jako wolfram. Tento problém se dá příhodně vyřešit přidáním ~10 % chrómu (Cr). Tím však příběh nekončí, neboť se objevuje nový problém – slitiny W-Cr se pomalu, ale vytrvale navzájem mísí do směsi dvou na W a Cr bohatých zrn. Naše práce spočívá v nalezení třetího stabilizačního prvku (X) slitiny W-Cr-X, který zpomaluje (nebo v ideálním případě zastavuje) mísení.

Prvním krokem výpočetního modelování je reprodukce problému. Přístup, který jsme zvolili, spočívá v popisu slitiny jako kvantově-mechanického systému elektronů a iontů a následném využití výsledku k sestavení statistického modelu. Nejprve vytvoříme naše stavební kameny pomocí metody funkcionálu hustoty (DFT [3,4]) výpočtem elektronického chování na mřížce atomů wolframu a chromu. Výsledné rozložení náboje (obr. 1) nám umožňuje pochopit změnu elektrické a tepelné vodivosti v závislosti na složení a vlivu tvaru mřížky na vibrace iontů v mřížce. Nejprve pomocí superpočítačů IT4Innovations vygenerujeme speciální kvazi náhodné struktury [6] (obr. 2): rozložení atomů v konečné buňce, které co nejlépe reprodukuje náhodnost slitiny. Poté následuje série výpočtů: pomocí programu Vienna Ab initio Simulation Package (VASP [7]) získáme elektronické a dynamické chování každého modelu buňky minimalizací jeho energie (E). Když máme k dispozici reprezentativní soubor stavů (součást statistického souboru – množiny všech možných realizací), můžeme do výpočtu zahrnout teplotu (T). Řekli bychom, že o nic nejde, ale ve skutečnosti je teplota vše, jen ne zdánlivá. Ve fyzice se jedná o jediný parametr, který popisuje kinetiku prvků v modelu (např. průměrnou kinetickou energii částic plynu). I když je to pro pochopení poněkud nepohodlné, je užitečné považovat teplotu za intenzitní veličinu (nezávisí na počtu částic) spojenou s extenzivní entropií (S) - mírou neuspořádanosti systému. Co je to entropie a jak ji popsat, vypočítat a pochopit, je téma na samostatný článek (nebo knihu); předpokládejme nyní, že ji můžeme vypočítat pro každý ze stavů vypočtených pomocí VASP. Zde minimalizací tzv. volné energie (F = E - S×T) nalezneme optimální stav každého složení prvků při každé teplotě.

Dokončením postupu popsaného v předchozím odstavci pro různá X ve slitině W-Cr-X získáme informace o stabilitě a vlastnostech těchto slitin a o tom, zda má smysl je syntetizovat v laboratoři. V tomto duchu jsme nedávno publikovali slibné výsledky týkající se systémů wolfram – chrom – hafnium (Hf) [8].

Tento projekt je součástí standardního grantu GAČR č. 20-18392S Modifikace teplotní stability slitin na bázi W-Cr pro aplikace ve fúzních reaktorech.

[1] wikipedia.org, Fusion power, https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power, accessed 1 November 2021. 

[2] COMPASS, Institute of Plasma Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, http://www.ipp.cas.cz/vedecka_struktura_ufp/tokamak/COMPASS

[3] P. Hohenberg, W. Kohn, Phys. Rev., 136 (3B), pp. B864-B871 (1964).

[4] W. Kohn, L.J. Sham, Phys. Rev., 140 (4A), pp. A1133-A1138 (1965).

[5] K. Momma and F. Izumi, J. Appl. Crystallogr. 44, 1272-1276 (2011).

[6] A. Zunger, et al., Phys. Rev. Lett., 65 (3), pp. 353-356 (1990).

[7] G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B 54 (16), pp. 11169-11186 (1996).

[8] J. Veverka, et al., Mat. Lett. 304, 130728 (2021).

Radiation generation with ultra-intense lasers

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Róbert Babjak

Instituce: Ústav fyziky plazmatu Akademie věd České republiky
Oblast: Fyzika

Pokrok ve vývoji laserových pulzů s délkou desítek femtosekund umožnil výzkum relativistické interakce plazmatu s elektromagnetickým polem. Elektrony ionizovaného plynu v poli intenzivního pulzu mohou být při vhodně zvolené konfiguraci efektivně urychlované na vysoké energie na omnoho kratších vzdálenostech v porovnání s konvenčními urychlovači částic. Takové ultra-relativistické elektrony jsou schopné vyzářit nezanedbatelnou část své energie ve formě rentgenového až gamma záření.  Tímto procesem ztrácejí získanou energii, což zdánlivě působí v neprospěch urychl ování. Ukazuje se však, že ztráta energie zářením, nazývaná též radiační útlum, ulehčuje elektronům dostat se do podmínek vhodných pro urychlování a tím výrazně zvyšuje účinnost celého procesu. Proto je nutné najít co nejvhodnější způsob absorpce energie laserového pulzu elektrony, který bude využívaný v budoucích urychlovačích a zdrojích energetického záření. Cílem projektu je zkoumat konfigurace, které by mohly být pro tento typ aplikace nejvhodnější, pomocí 3D particle-in-cell kódu Osiris.

Transfer learning pro extrakci klíčových frází 

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Martin Dočekal

Instituce: Fakulta informačních technologií VUT v Brně
Oblast: Informatika

Čím dál tím více se ukazuje, že v dnešní záplavě dat je těžké najít relevantní dokument obsahující informace, které hledáme. Došli jsme do stavu, že je pro člověka těžko uchopitelné vyhledávání informací bez použití automatického nástroje, jakým je například vyhledávač. Dokonce však i za použití vyhledávače dostáváme velké množství dokumentů o jejichž relevanci už musí rozhodnout sám uživatel. S tímto problémem mohou pomoci klíčové fráze, které přibližují obsah dokumentu v kompaktní formě. Běžná klíčová fráze má několik málo slov. Pokud se jedná pouze o jedno slovo nazýváme ji známějším pojmem, a to sice klíčovým slovem.

V našem projektu se zaměřujeme na získávání klíčových frází z rozsáhlých (průměrně přes 83 000 slov) dokumentů v českém jazyce jako jsou knihy. Použité dokumenty jsou navíc zatíženy chybami, jelikož byly vytvořeny automatickou digitalizací. Extrahované klíčové fráze z tohoto druhu dokumentů by mohly být mimo jiné použity knihovnicemi a knihovníky při jejich práci.

Pro hledání klíčových frází používáme rozsáhlé neuronové sítě, které jsou schopny vytvořit kontextově závislé reprezentace slov. Na základě těchto reprezentací následně síť rozhodne, zdali danou sekvenci slov lze považovat za klíčovou frázi.

Termochemicky řízená konvekce a dynama pracující při nízkých číslech Ekmana

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ján Šimkanin, PhD.

Instituce: Geofyzikální ústav Akademie věd České republiky
Oblast: Vědy o Zemi

Zemské magnetické pole je jedním z nejproměnlivějších geofyzikálních polí. Poskytuje nám účinnou ochranu před slunečními erupcemi a je užitečným nástrojem pro navigaci nejen pro nás, lidi, ale také pro zvířata. Zemské magnetické pole je generováno konvektivními pohyby elektricky vodivé taveniny ve vnějším jádru Země a proniká na povrch Země, kde jej pozorujeme jako velkoškálové dipólové pole. Tyto generační procesy se v krátkosti nazývají Geodynamo. Nemáme však žádné přímé informace o magnetickém poli v zemském jádru, z tohoto důvodu modelujeme magnetohydrodynamické procesy ve vnějším jádru Země numericky. Numerické modely Geodynama produkují magnetická pole, která jsou blízká pozorovanému geomagnetickému poli. Jsme také schopni reprodukovat jeho časové změny, ať už krátkodobé nebo dlouhodobé (tzv. sekulární variace). V našich modelech však nemůžeme použít parametry typické pro zemské jádro z výpočetních důvodů - zatím není na světě žádný superpočítač, který by dokázal vyřešit model Geodyna s takovýma hodnotami. Postupně se však k těmto hodnotám přibližujeme a jedním z přiblížení je také modelování termochemické konvekce a termochemicky poháněného hydromagnetického dynama při nízké viskozitě kapaliny.

Validace exascale demonstrátorů

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Tomáš Karásek, Ph.D.

Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Inženýrství

Řešený projekt je součástí tříletého projektu ExaQUte, který vyvíjí nové metody umožňující řešení komplexních inženýrských problémů pomocí numerických simulací s využitím budoucích Exascale systémů. Cílem je vytvořit platformu umožňující kvantifikaci neurčitosti (Uncertainty Quantification, UQ) a optimalizaci s uvážením nejistot (Optimization Under Uncertainties, OUU) při řešení komplexních inženýrských problémů.

Řešení úloh UQ a OUU se opírají o odhad neznámých veličin na základě provedení mnoha nezávislých simulací pro různé scénáře. K provedení těchto analýz je však zapotřebí mnoho výpočetních zdrojů. Nezávislé vzorkování nicméně umožňuje vysokou paralelizaci analýz s cílem efektivního využití výkonu superpočítačů.

Metody a nástroje vyvinuté v rámci projektu ExaQUte budou použitelné v mnoha oblastech vědy a techniky. Aplikace vybraná jako demonstrátor se zaměřuje na větrné inženýrství, pro které v současné době neexistuje žádné spolehlivé řešení. Vyvíjené řešení zahrnuje kvantifikaci neurčitosti v odezvě stavebních konstrukcí na působení větru a tvarovou optimalizaci zohledňující nejistoty související se zatížením větrem, tvarem konstrukce a chováním materiálu. Vítr hraje také důležitou roli při posuzování komfortu občanů, zejména pokud se mají realizovat rozsáhlé stavby (např. přestavba městských oblastí, výstavba výškových budov) – výstupy projektu jsou tak ve veřejném zájmu.

Hledání sensitizérů singletového štěpení

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Diego López-Carballeira, Ph.D.

Instituce: Fakulta elektrotechnická, ČVUT
Oblast: Materiálové vědy

Singletové štěpení je proces, který umožňuje molekulám generovat dva tripletové excitované stavy absorpcí jediného fotonu. Tato vlastnost přináší velké výhody pro výrobu solární energie a vědecká komunita se usilovně snaží získat nové sensitizéry (tj. materiály, které jsou schopny absorbovat světlo a procházet popisovaným procesem), které by mohly zvýšit účinnost budoucích fotovoltaických zařízení.

Bohužel všechny tyto snahy byly marné a těch několik málo molekul, u nichž bylo prokázáno účinné štěpení singletů, postrádá fotostabilitu potřebnou pro použití v reálném zařízení. S cílem najít nové adepty použitelné jako sensitizéry singletového štěpení používá naše skupina vysokoúrovňové kvantové výpočty pro screening rozsáhlých databází. Díky 6,9 milionu jádrohodin, které poskytuje IT4Innovations, je možné vyhledávat mezi množstvím známých molekul uložených v databázích, modelovat jejich elektronickou strukturu a vybírat ty, u nichž se zjistí, že vhodné pro singletové štěpení.

Výpočty mají poskytnout seznam snadno dostupných sloučenin kompatibilních s procesem singletového štěpení a zúžit tak počet kandidátů, kteří budou následně testováni nákladnými teoretickými a experimentálními přístupy. 

Hydrodynamické interakce planet s protoplanetárními disky a původ těsných exoplanetárních soustav

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ondřej Chrenko, Ph.D.

Instituce: Astronomický ústav Univerzity Karlovy
Oblast: Astrofyzika

Obrázek: Teplota plynu na vnitřním okraji protoplanetárního disku (v řezu k oběžné rovině disku; celý disk si můžeme představit „roztočením“ obrázku kolem svislé osy).

Astronomická pozorování v uplynulých letech umožnila detekci tisíců planet mimo naši sluneční soustavu, takzvaných exoplanet, jejichž původ zahaluje celá řada otázek. Početnou skupinu exoplanet tvoří planety s krátkou oběžnou dobou (tedy obíhající v těsné blízkosti mateřské hvězdy), jejichž hmotnosti typicky dosahují několika hmotností Země (označují se jako superzemě nebo minineptuny).

V projektu budeme provádět počítačové hydrodynamické simulace raného vývoje takovýchto planet vnořených v zárodečném plynoprachovém disku. Budeme studovat proces migrace planet, kdy gravitace struktur vznikajících v disku mění oběžné dráhy planet.

Cílem projektu je pochopit, za jakých podmínek mohou superzemě a minineptuny „domigrovat“ na oběžné dráhy s krátkou oběžnou dobou. Abychom správně modelovali prostředí, ve kterém se planety vyvíjejí, je třeba realisticky popsat fyzikální podmínky na vnitřním okraji plynného disku (viz obrázek). Rozložení plynu na vnitřním okraji disku závisí na souhře mnoha procesů, jako je zahřívání zářením mateřské hvězdy, magnetohydrodynamická turbulence, přenos energie zářivou difuzí, vypařování prachových zrn a s ním související (ne)průhlednost prostředí.

Studium materiálů perpektivních pro využití v hnojivech s řízeným uvolňováním pomocí molekulární dynamiky

Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: doc. Ing. Václav Čuba, Ph.D

Instituce: České vysoké učení technické v Praze
Oblast: Materiálové vědy

Zavedení tzv. „NPK (dusík, fosfor, draslík)“ a dalších vícesložkových hnojiv usnadnilo zemědělcům péči o rostliny a půdu. Tato hnojiva zvýšila výtěžnost, nicméně způsobila také nové, především ekologické, problémy. K vyřešení ekologické zátěže, spojené hlavně s přebytkem dusíku v půdě a podzemních vodách, byla vyvinuta hnojiva s řízeně pomalým uvolňováním živin, kde rychlost uvolňování živin odpovídá rychlosti jejich příjmu rostlinou. Tento projekt hledá a studuje materiály, které jsou vhodné jako nosiče hnojiv, schopné řízeně uvolňovat živiny do prostředí. Takovým vhodným materiálem se zdají být zeolity, jejichž vlastnosti dovolují připravit hnojivo obsahující všechny potřebné živiny a zároveň umožňující jejich pomalé uvolňování. Vazby molekul živin se strukturami zeolitu jsou studované metodami molekulárního modelování. Z výsledků modelování lze předpokládat, jak bude probíhat uvolňování živin a jaký bude rozdíl v silách vazeb mezi jednotlivými živinami a strukturou zeolitu. Cílem projektu je studovat možnosti přípravy pomalu působících hnojiv.

Expanze supernov v blízkosti galaktického centra

Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Barnabas Barna

Instituce: Astronomický ústav Akademie věd ČR
Oblast: Astrofyzika

Výbuchy supernovy jsou jedny z nejenergetičtějších událostí ve vesmíru. Tato kataklyzmatická hvězdná úmrtí uvolňují chemicky obohacený materiál, který expanduje vysokou rychlostí do okolního prostoru. Výsledná bublina pak zametá okolní mezihvězdnou hmotu a vytvoří obálku o hmotnosti několika stovek sluncí. Tímto hraje důležitou roli v procesu tvorby hvězd, kdy expandující bubliny spouští vznik dalších hvězdných generací. Mezihvězdná hmota může být expandujícími obálkami dopravena do těsné blízkosti centrální obří černé díry, a tak zvýšit její aktivitu. Zda je tento scénář zodpovědný za projevy obří černé díry v Mléčné dráze však nelze potvrdit především díky nízké aktivitě této nejbližší obří černé díry. Simulace vývoje obálek a vliv počátečních a okrajových podmínek vyžaduje numerické metody. Barnabas Barna a jeho spolupracovníci plánují získané jádrohodiny využít na hydrodynamické simulace s kódem FLASH ve 3D. Cílem je prozkoumat interakci mezihvězdného prostředí s expandující obálkou. Výsledky budou porovnány s pozorováními: např. dnešní rozložení zbytků supernovy budou porovnávat se silnými rentgenovými záblesky v minulosti.

Genomický výzkum organelární evoluce a adaptace na prostředí u parazitů výtrusovců

Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Martin Kolísko, Ph.D.

Instituce: Parazitologický ústav Akademie věd ČR
Oblast: Vědy o životě

Výtrusovci (Apicomplexa) jsou skupinou vnitrobuněčných parazitů zvířat a patří mezi ně například původci závažného onemocnění člověka – malárie. Přestože o genomice a organelách zástupců výtrusovců je již mnoho známo, linie Gregarinida zůstává z tohoto hlediska neprobádaná, a to i přesto že se jedná o jednu z druhově nejbohatších skupin eukaryot. Cílem projektu je charakterizovat reprezentativní linie gregarin ze suchozemských a sladkovodních hostitelů. Gregariny nelze kultivovat, a proto použili metodu sekvenování transkriptomů a genomů jednotlivých buněk. Získaná data budou použita k fylogenomické analýze v kombinaci s nedávno publikovanými daty gregarin z mořských hostitelů. Tato analýza objasní evoluční pozici gregarin v rámci skupiny Apicomplexa, která byla v současnosti zpochybněna rozporuplnými výsledky dvou nedávno publikovaných studií. Robustní fylogeneze pak umožní studovat reduktivní evoluci organel ve skupině Apicomplexa a také genetické adaptace pro různé hostitele, hostitelská prostředí a vnitrobuněčný parazitismus u ostatních členů skupiny Apicomplexa.

Substituované molekuly hyaluronanu ve vodných a směsných rozpouštědlech

Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Marek Ingr, Ph.D.

Instituce: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Oblast: Materiálové vědy

Kyselina hyaluronová (též hyaluronan, HA) je základní stavební složkou mezibuněčné hmoty kůže a pojivových tkání. Její kladný vliv na regeneraci tkání a hojení ran ji předurčuje k četným aplikacím ve farmacii a kosmetice. Jako biokompatibilní materiál je vhodná i ke konstrukci nosičů léčiv či tkáňových náhrad. Třebaže jde o látku silně hydrofilní, řada jejích aplikací vyžaduje použití nevodného prostředí. V návaznosti na předchozí studie volných makromolekul HA ve vodných roztocích a směsích vody a s ní mísitelné organické látky se nyní zabývá Dr. Marek Ingr a jeho řešitelský tým strukturou molekul HA substituovaných jedním nebo více alifatickými řetězci v týchž rozpouštědlech. Rovnovážné chování molekul je simulováno metodou molekulové dynamiky, z nichž je vyhodnocována konformace molekul a vzájemná poloha a interakce jejích částí, separace směsného rozpouštědla kolem jednotlivých částí molekuly, interakce částí molekul s molekulami v roztoku, zejména prekurzory následných substitučních reakcí. Výsledky těchto studií přispějí k optimalizaci reakcí vedoucích k tvorbě modifikovaných molekul HA a k návrhu materiálů na nich založených, jež mohou najít uplatnění ve zdravotnictví, kosmetice a řadě dalších oborů.

Objev nových účinných katalyzátorů pro zachycování CO2

Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Valeria Butera

Instituce: CEITEC, Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Materiálové vědy

Oxid uhličitý (CO2 ) je považován za hlavního viníka globálního oteplování. Více než polovina emisí CO2 pochází z velkých průmyslových bodových zdrojů, zbytek pak má původ zejména v malých mobilních zdrojích. Snížení emisí pod kritickou úroveň vyžaduje nejen politické odhodlání, ale také nové vědecké přístupy k zachycování CO2 a umožnění jeho přeměny z odpadního produktu na produkty s přidanou hodnotou. Klíčovými opatřeními k dosažení tohoto cíle budou realizovatelné efektivní procesy zaměřené na oddělování a využití CO2 ze vzduchu ve velkém měřítku. Hlavním tématem tohoto projektu je vývoj inovativních technologií zaměřených na zpomalení nebo zamezení antropogenních emisí uhlíku. Výzvou pro ni je zejména návrh nových účinných, selektivních a „zelených“ homogenních a heterogenních katalyzátorů pro zachycování a přeměnu CO2 . Její výzkum se nejprve zaměří na materiály, které jsou vhodné pro oddělování a konverzi CO2 přímo z okolního vzduchu (direct air capture – DAC), výsledky tohoto výzkumu pak následně připraví půdu pro vývoj vhodných technologií pro získávání CO2 z velkých průmyslových zdrojů.

Vysoce vícejazyčný neurální strojový překlad využívající učení bez učitele

Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Josef Jon

Instituce: Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Informatika

Strojový překlad lidského jazyka učinil velký pokrok v souvislosti s vývojem strojového učení. Texty přeložené neurálním strojovým překladem (NMT) jsou za určitých podmínek dokonce srovnatelné s překladem lidským. Podmínkou je, že pro daný jazykový pár je k dispozici velké množství paralelních, člověkem přeložených textů pro trénování modelu. Těch je však velmi málo. Zlepšení kvality NMT v ostatních jazycích je založeno na předtrénovaných modelech neuronových sítí pro reprezentaci jazyka. Ty umožňují využít velkých objemů textů nalezených na internetu, do nichž je však uměle přidán šum, kdy některá slova jsou vypuštěna, nebo nahrazena. Úkolem je zrekonstruovat původní text. Trénováním na této úloze se model vlastně mimochodem učí reprezentovat jazyk a porozumět mu, protože tyto schopnosti jsou nutné k tomu, aby text dokázal správně opravit. Předtrénované modely lze doladit ke koncovým úkolům pomocí výrazně menšího množství dat, než kdyby se trénovaly od začátku. Ukazuje se, že čím více je způsob přidávání šumu v předtrénovací fázi podobný koncovému úkolu, tím lepší je výsledek. Cílem inženýra Jona, který pro svůj projekt získal téměř 1,2 milionu jádrohodin, je prozkoumat varianty šumových funkcí, jež jsou podobné překladu (např. nahrazení slova nebo fráze jeho překladem), a výsledné modely použít pro překlad v jazykových párech s malým množstvím trénovacích dat.

Hledání nových protirakovinných sloučenin a zkoumání jejich mechanismu účinku

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Olena Mokshyna

Instituce: Institut molekulární a translační medicíny, Univerzita Palackého
Oblast: Vědy o životě

Vývoj nových protinádorových činidel je zdlouhavý a komplikovaný proces, který zahrnuje výzkum mnoha potenciálních látek. Bystin je kompaktní protein, jenž podporuje růst lidských rakovinových buněk. Přestože vypadá jako slibný cíl pro léčiva, nebylo u něj v minulosti identifikováno žádné místo vazby. Olena Mokshyna, která na svůj projekt získala 510 tisíc jádrohodin, zjistila, že bystin má dvě primární mělká vazebná místa. Díky výzkumu mechanismů vazby slibných sloučenin vytvořila stabilní vazebné pozice pro většinu ligandů a rozlišila dvě hlavní skupiny ligandů s různou aktivitou. Její snahou je dále prozkoumat dynamiku bystinu pomocí vylepšených metod vzorkování a provést výpočty volné energie systémů ligand-protein. Použití metod klade důraz na metadynamické simulace, což umožní prozkoumat mechanismus působení ligandů in silico. Druhým cílovým proteinem je CYP2w1. Jeho jedinečnost spočívá v tom, že je většinou exprimován v nádorových buňkách, nikoli ve zdravých tkáních. Díky tomu je ideálním cílem pro selektivní protinádorová činidla. V současné době existuje několik sloučenin, které se nejen selektivně vážou na metabolické místo proteinu, ale také se změní v cytotoxickou sloučeninu, čímž zničí rakovinovou buňku, ale nepoškodí zdravé tkáně. Olena Mokshyna hodlá provést virtuální screening a vybrat sloučeniny s podobným působením pro další experimentální testování. Výsledky jejího projektu usnadní vývoj protinádorových léčiv a léků proti Diamondově-Blackfanově anémii.

Kvantově mechanické modelování nesprávně párované DNA

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Petr Kulhánek Ph.D.

Instituce: CEITEC, Masarykova univerzita
Oblast: Vědy o životě

Dvojitá šroubovice deoxyribonukleové kyseliny (DNA) se skládá ze dvou komplementárních řetězců, které jsou spojeny pomocí Watson-Crickovského párování bází. Nesprávné párování bází může vést k rozvoji dědičných genetických chorob, rakoviny a stárnutí. Organismy proto vyvinuly několik přístupů, jak tyto chyby v párování bází detekovat, opravit a tím udržet integritu genetické informace do následujících generací. Jedním z nich je MMR (anglicky: mismatch repair), ve kterém enzym MutS rozpoznává chybné párování a při jeho nalezení spouští kaskádu procesů vedoucí k jeho opravě. Petr Kulhánek a jeho tým se v předchozích studiích pokusili rozluštit, jak může MutS účinně detekovat nesprávné páry bází. Využili k tomu metody molekulové mechaniky a dynamiky, které využívají zjednodušený fyzikální popis. Ten za cenu nižší přesnosti, umožňuje studovat velké biomolekulární systémy. Získaný výpočetní čas 532 tisíc jádrohodin využije Petr Kulhánek pro kvantově-chemické výpočty k ověření přesnosti výsledků získaných v předchozích studiích. Tímto způsobem získá nejenom informace o kvalitě zjednodušeného fyzikálního popisu, ale také podrobnější informace o jednotlivých interakcích v nekomplementárních párech bází a jejich významu pro rozpoznávání enzymem MutS. Získané poznatky jsou důležité pro budoucí racionální návrh chemických látek vhodných k protirakovinné terapii, která bude cílit na poškozenou DNA.

Návrh nového inteligentního materiálu s magnetickou tvarovou pamětí

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Martin Zelený, Ph.D.

Instituce: Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy

Slitiny s magnetickou tvarovou pamětí mají díky mimořádným vlastnostem své multiferoické martenzitické struktury široký aplikační potenciál pro výrobu aktuátorů, senzorů, generátorů energie a magnetických chladicích systémů. Makroskopickou deformaci těchto materiálů v externím magnetickém poli způsobuje velmi vysoká pohyblivost hranic dvojčatění v kombinaci s vysokou magnetickou anisotropií. Provozní teploty dosud připravených materiálů jsou však příliš nízké pro využití v průmyslu, což je způsobeno jejich nízkými transformačními teplotami při přechodu mezi vysokoteplotními fázemi austenitem a martenzitem. V rámci projektu OP VVV MATFUN, na který Martin Zelený získal v první periodě více než 4,1 milionů jádrohodin, se zaměří na hledání nových materiálů s vysokým aplikačním potenciálem, jež kombinují stabilitu martenzitické fáze při vysoké teplotě s její vysokou magnetickou anizotropií a nízkým napětím potřebným pro pohyb hranic dvojčatění, což jsou důležité předpoklady pro vývoj slitin s magnetickou tvarovou pamětí. Takovéto slitiny následně umožní miniaturizaci a vývoj nových zařízení v robotice, automobilovém, leteckém a biomedicínském průmyslu. Kromě hledání nových kandidátů pro experimentální přípravu bude Martin Zelený hlouběji zkoumat i základní aspekty multiferoického chování slitin s magnetickou tvarovou pamětí, jako je například fyzikální původ martenzitické transformace nebo pohyblivosti hranic dvojčatění.

Počítačové modelování rychlých iontových drah v tokamakových plazmatech

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Fabien Jaulmes

Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Vědy o Zemi

Technologie jaderné fúze by nám v budoucnu mohla pomoci vyrábět energii tak, aniž bychom do atmosféry vypouštěli velké množství skleníkových plynů nebo aniž bychom za sebou zanechávali radioaktivní odpad s dlouhou životností. Mezi všemi možnými přístupy k fúzi se jeví jako nejslibnější tokamak. Koncept zahrnuje použití magnetických polí k omezení plazmy, která je natolik horká, že udrží fúzi uvnitř plazmy. V rámci mezinárodního projektu pod názvem ITER se v jižní Francii staví nový tokamak. Pokud bude toto zařízení úspěšné, bude prvním svého druhu, jež bude vyrábět čistou energii. COMPASS je malý tokamak nacházející se v Praze. Ten umožňuje vědecké zkoumání různých fyzikálních otázek souvisejících s provozem budoucího projektu ITER. Fabien Jaulmes a jeho tým získal více než 1,7 milionů jádrohodin výpočetního času na projekt, ve kterém se zaměří na studium a modelaci chování částic v úzkopásmovém zobrazení, což může mít dopad na budoucí návrh systému a jeho integraci do COMPASSu, jakož i na plánovanou modernizaci stroje v roce 2022. Předmětem tohoto výzkumu je přinést lepší vědecké porozumění tokamakových jaderných elektráren a levnější a udržitelnější způsob výroby elektřiny ve velkém měřítku. Tato studie má za cíl optimalizovat topné systémy a může mít obrovský dopad na náklady a údržbu budoucích demonstračních reaktorů elektrárny. 

Termodynamika aktiniového kovu

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Bc. et Bc. Lukáš Kývala

Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy

Poločas rozpadu nejstabilnějšího izotopu aktinia je pouhých 21,77 let. Díky tomu je jeho koncentrace v přírodě značně nízká. Nebýt jedním z produktů rozpadu thoria a uranu, již dávno by z naší Země vymizel. Z důvodu jeho vysoké radioaktivity a vzácnosti bylo provedeno jen několik experimentů s jeho kovovou formou, a tím pádem patří mezi nejméně prozkoumané prvky. I tak základní parametr jako je mřížková konstanta byla po mnoho let předmětem diskuze a její neobvykle nízká hodnota nebyla nikdy zcela objasněna. Lukáš Kývala využije svůj výpočetní čas (272 tisíc jádrohodin) k tomu, aby analyzoval fyzikální vlastnosti aktinia, jeho stabilitu při různých teplotách a sílu relativistických efektů, jelikož v současné době se z aktinia díky jeho vysoké radioaktivitě (zhruba 150krát vyšší než u radia) stal preferovaný prvek v radioterapii. Výzkum aktinia může nejen pomoci k porozumění fyziky aktinoidů, ale získané znalosti mohou být užitečné taktéž v jeho aplikacích, jako je zdroj neutronů nebo geochemický indikátor pro hluboký oběh mořské vody. Navíc, jeho schopnost dodávat stabilní množství tepla je vhodná pro výrobu elektřiny v kosmu, kde sluneční energie není k dispozici (tj. pro mise na odvrácené straně Měsíce).

Parametry modelů seismického zdroje budícícho realisitické pohyby půdy

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Ľubica Valentová, Ph.D

Instituce: Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova
Oblast: Vědy o Zemi

Seismologický tým z Katedry geofyziky MFF UK se v projektu s výpočetní kapacitou 481 tisíc jádrohodin zaměří na studium parametrů modelů zdroje zemětřesení, které ovlivňují proces šíření trhliny na zlomu. Na základě náhodného vzorkování vytvoří velký počet simulací šíření trhliny (až několik desítek tisíc). Avšak ne všechna taková syntetická “zemětřesení” odpovídají skutečným jevům. Ze všech simulovaných jevů se proto statisticky vyberou ty, které vykazují shodu s pozorováními skutečných zemětřesení, tj. s empirickým modelem silných pohybů půdy. Výsledkem bude rozsáhlá databáze scénářů zemětřesení (několik tisíc) s různým magnitudem a různou složitostí šíření trhliny. Tyto jevy vychází z předepsaných fyzikálních zákonů pro procesy na zlomu a zároveň budí realistické pohyby půdy. Díky obsáhlosti této syntetické databáze a její nezatíženosti chybami pozorování se v další analýze porovnají charakteristiky jako doba trvání, velikost trhliny, pokles napětí a energetická bilance s jejich protějšky určenými ze skutečných jevů. V tomto projektu bude klíčové studium získaných parametrů zákona tření (jejich rozptylu a případných korelací), které nelze přímo změřit v případě reálných jevů a které mají významný vliv na výsledné pohyby půdy. Studium seismického zdroje pomocí numerických simulací tak může být prospěšné i pro vyhodnocování účinků zemětřesení a seismického ohrožení.

Meze přesnosti metody kvantové Monte Carlo v limitě slabé interakce

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Matúš Dubecký, Ph.D.

Instituce: Ostravská univerzita
Oblast: Materiálové vědy

Více než 4 miliony jádrohodin získal Matúš Dubecký na výzkum zaměřený na stanovení mezí přesnosti metody Fixed-node diffusion Monte Carlo (FNDMC) pro nekovalentní interakce. Nekovalentní interakce hrají klíčovou roli v mnoha oblastech výzkumu, např. v materiálové vědě nebo vývoji léčiv. Tým Matúše Dubeckého se zaměří na provedení srovnávací studie, navazující na předešlý výzkum a použití metody FNDMC u 2D materiálů, jejichž vlastnosti jsou ovlivněné nekovalentními interakcemi molekul, nebo 1D vodičů na jejich površích. Cílem tohoto projektu je za pomoci superpočítače zjistit míru spolehlivosti metody FNDMC, která je v současné době hojně využívána jako kvantová referenční metoda pro velké nekovalentní systémy. Kromě hlubšího fyzikálního náhledu do metodologie FNDMC a návrhu možných vylepšení, povedou výsledky k lepší kontrole přesnosti a racionálnějšímu použití této metody nejen pro velké systémy.

Vznik planet shlukováním balvanů

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ondřej Chrenko, Ph.D.

Instituce: Astronomický ústav Univerzity Karlovy v Praze
Oblast: Astrofyzika

Ondřej Chrenko získal více než 600 000 jádrohodin výpočetního času na projekt, ve kterém se bude zabývat procesy provázejícími vznik planet. Podle moderních scénářů planety vznikají akumulací balvanů o velikosti centimetr až metr, jejichž dynamika je ovlivněna aerodynamickým třením o okolní plynný disk. Toto tření jednak způsobuje radiální drift balvanů v disku a rovněž zvyšuje účinnost gravitačního zachycení balvanů rostoucí planetou. Pokud však planeta dosáhne jisté kritické hmotnosti, vytvoří v plynném disku tlakovou bariéru, ve které se balvany začnou hromadit, a růst planety ustane. Cílem tohoto projektu je prozkoumat vývoj balvanů hromadících se v tlakové bariéře. Ondřej Chrenko použije superpočítače centra IT4Innovations k 2D a 3D simulacím systému dvou tekutin (reprezentujících plyn a pevné částice), aby ověřil, zda v tlakové bariéře dochází k hydrodynamickým nestabilitám. Tyto nestability by mohly koncentrovat balvany do shluků, umožnit jejich gravitační kolaps a vytvořit tak zárodek zcela nové planety. Cílem projektu je prostudovat pomocí lokálních simulací s vysokým rozlišením, zda uvnitř tlakové bariéry může docházet k hydrodynamickým nestabilitám, jako např. na obrázku vpravo (pozn. obr. vpravo je převzat z článku Benítez-Llambay a kol. 2019).

Proteinová přitažlivost a selektivita pro buněčné membrány

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Doc. RNDr. Robert Vácha, Ph.D.

Instituce: CEITEC
Oblast: Vědy o životě

Pro první periodu svého výzkumu, ve kterém se Robert Vácha zaměří na proteinovou přitažlivost a selektivitu pro buněčné membrány, získal téměř 2,9 milionů jádrohodin. Prostorová a časová organizace proteinů v buňce je klíčovým aspektem pro pochopení složitých procesů v živých buňkách. Důležitou složkou jsou periferní proteiny, které jsou pro správnou funkci organizovány na membránách specifických organel. Ovšem vztah mezi proteinovou sekvencí a její membránovou preferencí však dosud není znám. Cílem navrhovaného projektu je identifikovat, kvantifikovat a vysvětlit přitažlivost proteinů pro membrány se specifickým lipidovým složením. Tým Roberta Váchy vyvine výpočetní metodu pro stanovení vazebné volné energie proteinů a jejich mutantů k membránám se specifickým složením lipidů. Použití této metody s využitím výpočetních zdrojů IT4Innovations poskytne molekulární pochopení, které umožní určit preferovanou lokalizaci proteinů v buňkách a může být využito pro vývoj nových biomarkeru proteinů, senzorů a léků.

Simulace sondových diagnostik pro tokamak COMPASS-Upgrade

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Aleš Podolník, Ph.D.

Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Vědy o Zemi

Více než 1 milion jádrohodin využije Aleš Podolník k simulaci sondové diagnostiky tokamaku COMPASS-U, právě navrhovaného a konstruovaného zařízení pro výzkum jaderné fúze na světové úrovni. Toto zařízení umožní udržení plazmatu v podmínkách blízkých těm v budoucích fúzních reaktorech ITER a DEMO. Jednou z plánovaných oblastí výzkumu je také návrh vnitřních komponent přicházejících do styku s plazmatem, který vyžaduje komplexní diagnostické vybavení. To bude využívat jak stávající, tak i nově vyvíjené diagnostické systémy reflektující unikátní vlastnosti plazmatu v tokamaku COMPASS-U. Jednou z takových diagnostik jsou Langmuirovy sondy, které při správném návrhu umožňují měřit teplotu a hustotu elektronů nezbytnou pro výpočet tepelného namáhání vnitřních komponent. Návrh i využití sond pro měření v tokamaku s extrémními parametry plazmatu však vyžaduje značné úsilí. Cílem výzkumu Aleše Podolníka a Michaela Komma je simulace sond, které budou přizpůsobeny různým variantám a tvarovým možnostem vnitřních komponent v tokamaku, jež budou v přímém styku s plazmatem. Z předešlých výzkumů vyplývá, že správný návrh sondy je důležitý nejen z provozního hlediska, například pro zamezení roztavení sondy pod extrémním tokem energie z plazmatu, ale především pro maximální korektnost a přesnost získaných fyzikálních dat.

Vliv hmotných hvězd na složení kulových hvězokup

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Michail Kourniotis

Instituce: Astronomický ústav AV ČR
Oblast: Astrofyzika

Michalis Kourniotis z Astronomického ústavu AV ČR získal pro výzkum vlivu hmotných hvězd na složení hvězdokup 718 000 jádrohodin našeho výpočetního času. Kulové hvězdokupy jsou koncentrace hvězd sférického tvaru o velikostech řádově desítek světelných let, které obsahují statisíce až miliony velmi starých hvězd. Typicky se nacházejí ve sférickém halu Mléčné dráhy a dalších galaxií. Původně se předpokládalo, že se skládají ze stejně starých hvězd, ale nedávno bylo zjištěno, že jsou hostiteli několika generací hvězd různého věku a chemického složení. Numerické metody pro simulaci nestacionárního větru ve hvězdokupách jsou použity pro získání znalostí o chování plynu uvnitř mladé hvězdokupy, především o tepelné nestabilitě, která může vést ke vzniku nových hvězd. Nejnovější modely vývoje hvězd poskytují základní vstupní parametry pro určení množství hmoty a energie, které do hvězdokupy vkládají hmotné hvězdy ve formě extrémně rychlých hvězdných větrů a výbuchů supernov. Michail Kourniotis s kolegy Richardem Wünschem a Barnabásem Barnou využijí superpočítač k vytvoření 3D simulací s vysokým rozlišením, které poskytnou informace o vzniku několika hvězdných generací v kulových hvězdokupách. Cílem projektu je rovněž studium vlivu extrémních typů hvězd na vývoj větru ve hvězdokupách a jeho prostorovém rozložení.

Preciznost a přesnost vazebných energií rozlehlých systémů IV

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.

Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy

Více než 2,8 milionů jádrohodin výpočetního času IT4Innovations získal tým Jiřího Klimeše na projekt, ve kterém se zaměří na preciznost a přesnost výpočtu vazebných energií krystalů, obzvláště těch, které jsou vázané nekovalentními vazbami. Takovéto materiály jsou důležité jak v přírodě, tak v průmyslu, příkladem jsou metanové klatráty na dně moří, krystaly léčiv, nebo vrstevnaté systémy jako je grafit. Mezi jejich zajímavé vlastnosti patří polymorfismus – schopnost mít i za stejných podmínek různou krystalickou strukturu. Jedním z cílů tohoto projektu je využití superpočítače k vývoji metody, která by umožnila spolehlivý popis stability různých polymorfů nebo různých krystalických fází materiálů. Jedná se o projekt základního výzkumu, jehož cílem je pochopení limitů přesnosti metod používaných v současnosti a vývoj metod s vyšší přesností, které se uplatní pro simulace materiálů v budoucnu. Výzkumný tým Jiřího Klimeše chce také integrovat vyvinuté skripty pro přípravu a analýzu výpočtů do „balíčků“ používaných pro automatizované pracovní postupy. Toto by mělo zajistit, aby metody určené pro přesné výpočty vazebných energií byly jednoduše použitelné jinými výzkumnými skupinami, a také zvýšit reprodukovatelnost takovýchto výsledků.

Fotoakustická tomografie prsu

Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: doc. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Instituce: Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Vědy o životě

Jiří Jaroš z VUT v Brně získal více než 300 000 jádrohodin pro validaci vyvinutého softwaru fotoakustické tomografie na prsním fantomu a optimalizaci kódu z hlediska jeho rychlosti a přesnosti. Cílem studie je ověřit věrohodnost a kvalitu generovaný snímků fotoakustické tomografie prsních fantomů za obtížných podmínek zahrnujících pohyb fantomu simulující dýchání, nehomogenní osvětlení tkáně a omezenou šířku pásma ultrazvukových senzorů včetně její variability napříč senzory, způsobenou danou výrobní technologií. Tato data budou použita pro jemné doladění softwaru fotoakustické tomografie. Dalším krokem bude provedení testovací studie skenováním 20 pacientek. Snímky pořízené pomocí fotoakustické tomografie, rentgenu a počítačové tomografie budou následně poskytnuty vybraným klinickým lékařům k vyhodnocení. Výsledky studie povedou k vývoji nových screeningových a diagnostických postupů v oblasti mamografie prsu. Tkáň je osvícena nanosekundový zábleskem infračerveného světla, dochází k absorpci energie v cévách tumoru. Následně dochází k termo-elastické expanzi uvnitř tumoru (tumor se zachvěje). Světlo na teplo se přemění změnou hustoty na generování ultrazvukového pulzu. Ultrazvuk se šíří ven z tkáně a je zaznamenán na povrhu ultrazvukovými detektory. Cílem simulací, prováděných v rámci projektu, je ze zaznamenaného signálu rekonstruovat místo, odkud zvuk přichází a kolik ho je (polohu cév, jejich velikost, množství okysličené krve, atd.).

Elektrifikace bouřek – simulace vybraných událostí

Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: doc. RNDr. Zbyněk Sokol, CSc.

Instituce: Ústav fyziky atmosféry AV ČR
Oblast: Vědy o Zemi

Více než 1 milión jádrohodin pro simulaci a studium elektrifikace bouřek získal Zbyněk Sokol z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Bouřky patří mezi nebezpečné povětrnostní jevy, které jsou doprovázeny silnými poryvy větru, krupobitím či vysokou bleskovou aktivitou. Přestože mohou způsobovat výrazné socioekonomické ztráty spojené nejen s hmotnými škodami ale i oběťmi na životech, nebyly dosud plně popsány a pochopeny, a z tohoto důvodu je jejich předpověď velmi obtížná. Jedním z nejasných procesů probíhajících během bouřek je právě proces elektrifikace. Zbyněk Sokol bude s kolegyní Janou Minářovou pomocí superpočítače simulovat proces elektrifikace během konvektivních bouřek, které byly pozorovány na území České republiky v letech 2018 a 2019. Simulace budou probíhat pomocí modelu Cloud Electrification Model (CEM), jež byl implementován do numerického modelu předpovědi počasí COSMO, označeném jako CEM-COSMO. Podle autorů projektu se bude jednat o první projekt, který bude studovat a explicitně simulovat elektrifikaci bouřek v oblasti střední Evropy. Výsledky projektu mohou přispět k rozšíření znalostí o jevech souvisejících s bouřkami, jako jsou elektrifikace a blesková aktivita, a dále k přesnějšímu modelování předpovědi počasí.

Konformační chování krátkých peptidů studované kvantově-chemickými metodami

Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: doc. Mgr. Lubomír Rulíšek, CSc. DSc.

Instituce: Ústav organické chemie a biochemie AV ČR
Oblast: Chemie

Do jaké míry určuje konformační napětí v proteinech jejich trojrozměrnou strukturu? Touto otázkou se bude zabývat Lubomír Rulíšek z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, který na tento projekt získal více než 5 miliónů jádrohodin. Kvantově-chemické výpočty ve spojení s moderními solvatačními metodami představují jedinečnou sadu nástrojů k objasnění klíčových faktorů biomolekulární struktury. Pochopení konformačního napětí v proteinech a jejich ligandech pak může představovat nový, výpočetně realizovatelný způsob, jak významně prohloubit naše porozumění procesu sbalování proteinů a interakcí rozličných ligandů s proteiny. Hlavním cílem tohoto projektu je plně popsat konformační prostor všech 400 přirozených dipeptidů a sestavit energetickou mapu jednotlivých konformerů. Na základě tohoto rozsáhlého datového souboru pak lze pochopit trendy a pravidla určující prostorovou strukturu proteinů. Kromě vypočtených dat bude Lubomír Rulíšek s kolegy Martinem Culkou a Tadeášem Kalvodou provádět experimentálně ověřitelné soubory testů, které poskytnou důkaz pro navrhované hypotézy. Výsledky tohoto projektu najdou uplatnění například při navrhování a vývoji léčiv či při navrhování specifických katalyzátorů založených na enzymech.

Od antifázových hranic k novým magnetům bez vzácných zem

Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc.

Instituce: CEITEC
Oblast: Materiálové vědy

Od antifázových hranic k novým magnetům bez vzácných zemin Výzkumný tým prof. Mojmíra Šoba z CEITEC získal téměř 8 miliónů jádrohodin na projekt zabývající se analýzou vlivu antifázových (AF) hranic na magnetické vlastnosti intermetalických sloučenin a na jejich termodynamickou i mechanickou stabilitu. Tyto informace jsou potřebné pro úspěšný vývoj nových magnetických materiálů. Projekt se zaměří na slitiny na bázi Fe-Al, ve kterých podle nedávných experimentů zlepšují AF hranice některé magnetické charakteristiky až o desítky procent. Získaný výpočetní čas využije výzkumný tým ke studiu vlastností konvenčních magnetů (bez prvků vzácných zemin) na bázi Fe-Al a k pochopení příslušných fyzikálních mechanismů, jejichž znalost je nutná pro vylepšení vlastností těchto magnetických materiálů.

Potenciál neuronové sítě pro vývoj zeolitů „in silico“

Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D.

Instituce: Univerzita Karlova v Praze
Oblast: Materiálové vědy

Lukáš Grajciar získal přes 2 milióny jádrohodin na projekt, který se bude zabývat designem nových katalyzátorů „in silico“, jako jsou například zeolity. Zeolity mají velký potenciál pro vývoj nových „zelených“ technologií, neboť se jedná o nejdůležitější průmyslové katalyzátory, které se používají zejména při zpracování ropy a v petrochemii. Lukáš Grajciar s kolegy Andreasem Erlebachem, Christopherem J. Heardem a Petrem Nachtigallem využijí svůj výpočetní čas pro simulace využívající silová pole na bázi hlubokých neuronových sítí pro screening rozsáhlých databází kandidátních struktur a jejich modelování v provozních podmínkách s bezprecedentní přesností. Výsledky projektu poskytnou hlubší vhled do struktury a stability existujících a hypotetických zeolitů, které dosud nebyly syntetizovány a ke zlepšení katalytických vlastností zeolitů všeobecně.

Lipidy Alzheimerovy choroby

Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Michael Owen, Ph.D. M.Sc.

Instituce: CEITEC
Oblast: Vědy o životě

Alzheimerova choroba je chronické, progresivní onemocnění nervové soustavy, které se projevuje degenerativním zánikem neuronů s charakteristickými histopatologickými změnami. V současné době je diagnostikována u 1 z 8 osob ve věku nad 65 let, a to z ní činí nejčastější příčinu demence u osob středního a vyššího věku. Očekává se, že do roku 2030 onemocní touto chorobou jen v EU 14 miliónů osob. Michael Owen z CEITECu, získal pro první periodu studie lipidů spojených s Alzheimerovou chorobou přes milión jádrohodin, které využije k objasnění mechanismu agregace amyloid-ß (Aß) peptidu, která je charakteristickým znakem pozorovaným při rozvoji Alzheimerovy choroby. Agregace bude studována v přítomnosti gangliosidů, které mohou ovlivňovat agregaci Aß peptidu a mají důležitou roli ve vývoji a regeneraci mozku a progresi Alzheimerovy choroby. Kromě získání atomistického porozumění role gangliosidů v Alzheimerově chorobě, bude tento projekt přínosem také pro výzkum jiných neurodegenerativních onemocnění, jako je například Parkinsonova a Huntingtonova choroba.

MOLEKULÁRNÍ A MESOSKOPICKÉ SIMULACE VODNÝCH ROZTOKŮ V NEHOMOGENNÍM PROSTŘEDÍ

Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Barbora Planková, Ph.D.

Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy

Na molekulární a mesoskopické simulace vodných roztoků v nehomogenním prostředí získala Barbora Planková z Ústavu chemických procesů Akademie věd ČR více než 1 milion jádrohodin. Vodné roztoky jsou všudypřítomné. Najdeme je v přírodě, průmyslových procesech i v každodenním životě. Pro ochranu zdraví či životního prostředí je proto pochopení jejich chování v nehomogenních prostředích klíčové. Planková spolu s kolegy Karlem Šindelkou a Martinem Lísalem využijí superpočítač pro tři výzkumné oblasti. První je rozhraní grafen a vodný elektrolyt. Grafenu se přezdívá zázračný materiál 21. století. Například pro odsolování vody či její čištění by se mohly využívat právě grafenové membrány. Nejdříve je však důležité porozumět základním procesům na molekulární úrovni, které bude autorka projektu studovat pomocí superpočítače. Druhou oblastí jsou iontové povrchově aktivní látky, které se používají například v avivážích. Část přidělených výpočetních prostředků bude využita pro studium chování těchto aktivních látek a jejich interakcí s měkkými povrchy – klíčovými aspekty jejich funkčnosti. Poslední oblastí je rozpustnost malých molekul v interpolyelektrolytových komplexech, která ovlivňuje účinnost léčiv či odstraňování znečišťujících látek.

VIRTUÁLNÍ SCREENING LIDSKÝCH A ROSTLINNÝCH HORMONŮ

Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Ing. Václav Bazgier, Ph.D.

Instituce: Univerzita Palackého v Olomouci
Oblast: Vědy o životě

Virtuální screening využívá pro objevování potenciálních nových chemických sloučenin počítače, což je levnější a časově méně náročnější než jejich testování v laboratoři. Počítač vybere nejvhodnější kandidáty z velké knihovny chemických sloučenin a ty lze následně testovat experimentálně. Václav Bazgier z Univerzity Palackého v Olomouci získal téměř půl milionu jádrohodin pro projekt Virtuální screening lidských a rostlinných hormonů. Ty hrají důležitou roli v životě lidí, zvířat i rostlin a jsou zodpovědné za mnohé biologické procesy. Přidělené výpočetní prostředky využije pro návrh nových sloučenin – léků na bázi hormonů či hnojiv – pomocí molekulárního dokování s využitím dat z různých databází, jako jsou například DrugBank a Human Metabolome Database.

AB INITIO VÝPOČTY KOHEZNÍCH VLASTNOSTÍ IONTOVÝCH KAPALIN

Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Ctirad Červinka, Ph.D.

Instituce: Vysoká škola chemicko-technologická
Oblast: Chemie

Ctirad Červinka z Vysoké školy chemicko-technologické získal více než 1 milion jádrohodin pro výpočty kohezních vlastností iontových kapalin. Ty skrývají díky svým jedinečným vlastnostem, jako jsou nízká těkavost a neomezená strukturní variabilita, obrovský potenciál využití v různých technologiích. Jmenujme například zachytávání plynů a tzv. chytré elektrolyty. Širšímu využití těchto kapalin však brání jejich vysoká cena a také nedostatečné pochopení jejich fyzikálně-chemických vlastností. Jednou z jejich nejcennějších vlastností je nízká těkavost, kvůli které je však obtížné spolehlivě změřit jejich tlak nasycených par a výparné teplo. Získané výpočetní prostředky proto využije pro ab initio výpočty a simulace sublimačních vlastností iontových kapalin, které by mohly doplnit a případně nahradit složitá a těžko reprodukovatelná experimentální stanovení jejich těkavosti.

MECHANISMUS UVOLNĚNÍ GENOMU NEOBALENÝCH VIRŮ

Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Lukáš Sukeník

Instituce: CEITEC, Masarykova univerzita
Oblast: Vědy o životě

Pikornaviry jsou původcem běžného nachlazení i mozkové encefalitidy. Bohužel, v současné době žádný lék proti pikornavirům pro člověka neexistuje. Lukáš Sukeník z CEITEC a Masarykovy univerzity získal více než 4 miliony jádrohodin pro studium mechanismu uvolnění genomu pikornavirů. Pro infikování buňky je zásadní uvolnění genomu pikornaviru. Virus musí svůj genetický materiál nejdříve vypustit z ochranného bílkovinného pouzdra (kapsidu) do cytoplazmy hostitelské buňky. Sukeník bude s pomocí superpočítače a simulací molekulární dynamiky zkoumat, jak vlastnosti kapsidu ovlivňují uvolnění genomu. Získané znalosti budou využity pro vývoj nových antivirotik.

VYSOCE VÝKONNÝ SCREENING ORGANOKOVOVÝCH STRUKTUR PRO SEPARACI OXIDU UHLIČITÉHO ZE SMĚSI SPALOVACÍCH PLYNŮ ZA VLHKÉHO STAVU

Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Pezhman Zarabadi-Poor, Ph.D.

Instituce: CEITEC, Masarykova univerzita
Oblast: Materiálové vědy

Více než 3 miliony jádrohodin získal Dr. Pezhman Zarabdi-Poor z CEITEC za účelem identifikace nejvhodnějších organokovových struktur k oddělení oxidu uhličitého ze směsi spalin pomocí rozsáhlého systematického screeningu. Hlavním antropogenním zdrojem emisí oxidu uhličitého je spalování fosilních paliv. S ekonomickým růstem a vývojem průmyslu se jeho koncentrace v ovzduší stále zvyšuje, což vede ke globálnímu oteplování Země. Jednou z nejúčinnějších metod, jak odvrátit tento nechtěný fenomén a zachovat průmyslový rozvoj, je zachycování a ukládání oxidu uhličitého (Carbon Capture Sequestration, CCS). Jako efektivní řešení se v této souvislosti jeví zachycování oxidu uhličitého ze směsi plynů vznikajících při spalování (průměrně obsahují 15–16 % CO2). Superpočítač a výpočetní zdroje ve výši 3,3 miliony jádrohodin využije Zarabdi-Poor pro nalezení nejvhodnějších organokovových struktur, které poté budou syntetizovány a experimentálně ověřeny v laboratoři. Tento výzkum je součástí projektu COMPSTORE, jenž je financován programem Evropské unie Horizont 2020 v rámci Akce Marie Skłodowska-Curie a spolufinancován Jihomoravským krajem. Projekt je realizován v rámci výzkumné skupiny prof. Radka Marka a aktivně se na něm podílí student doktorského programu fyzikální chemie Esmaiel Farajpour Bonab.

DRVOSTEP

Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Martin Kolář, M.Sc.

Instituce: Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Informatika

Více než 1,5 milionu jádrohodin získal Martin Kolář z Vysokého učení technického v Brně na výzkum kvality překladu pro velký počet jazyků. Současný výzkum se obecně zaměřuje na vývoj metod, které se učí překládat text mezi dvěma jazyky, přičemž na překlad mezi více než 6 jazyky se prozatím nikdo nezaměřil. Cílem projektu Martina Koláře je zlepšit kvalitu překladu, kvantifikovat složitost jazyků a tím odpovědět na otázku, jaký je rozdíl mezi kvalitou přímého překladu oproti překladu s využitím společného jazyka. S pomocí našeho superpočítače chce výzkumný tým z VUT v Brně analyzovat stovky jazyků a vytvořit volně dostupný online překladač.

STROJOVÉ UČENÍ V BIOMETRII A BIOMEDICÍNĚ

Výzva: 15. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Jan Tinka

Instituce: Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Vědy o životě

Výpočetní zdroje ve výši téměř 1 milion jádrohodin využijí vědci z Vysokého učení technického v Brně na vývoj automatického detekčního systému pro diabetickou retinopatii a pro odstranění vlivu onemocnění kůže na rozpoznávání otisků prstů. Retinopatie je onemocnění, při kterém dochází vlivem vysokého obsahu cukru v krvi k poškození cév oční sítnice. Vyšší riziko rozvoje různých forem této nemoci mají pacienti s cukrovkou. Cílem projektu Jana Tinky a jeho týmu je vytvořit detekční systém využívající algoritmy strojového učení, jehož používání bude snadné a využívat jej budou oční specialisté i pacienti. Ve spolupráci s dermatology rovněž vyvíjí systém pro detekci, lokalizaci a rozpoznání poškození otisků prstů. 

VÝVOJ KNIHOVEN A NÁSTROJŮ LABORATOŘE PRO VÝZKUM INFRASTRUKTURY

Výzva: 15. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Petr Strakoš, Ph.D. a Ing. Lubomír Říha, Ph.D.

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Informatika

Kolegové z Laboratoře pro výzkum infrastruktury IT4Innovations získali téměř 1,5 milionu jádrohodin pro vývoj nástrojů, které používají uživatelé našich superpočítačů pro výzkum. Klíčovými tématy projektu jsou energetická efektivita v HPC, vývoj numerické knihovny ESPRESO a vizualizačních nástrojů. Přidělené výpočetní zdroje využije výzkumná skupina k analýze chování nových aplikací a jejich dynamickému ladění s cílem snížit spotřebu energie při jejich spouštění na superpočítači. U knihovny ESPRESO, vlajkové lodi našeho výzkumu, bude řešeno například vylepšení výkonu při spuštění na jednom výpočetním uzlu a nasazení na systémech s grafickými akcelerátory. Co se vizualizačních nástrojů týká, chtějí kolegové vytvořit open source nástroj pro vizualizace vědeckých dat, který bude dostupný uživatelům naší infrastruktury. Vizualizační nástroj bude založený na populární 3D sadě softwaru Blender, konkrétně na jeho verzi 2.80, která má být vydána v 1. čtvrtletí letošního roku.

VÝPOČETNÍ CHARAKTERIZACE VOLNÝCH ENERGIÍ VYBRANÝCH PROTEINŮ II

Výzva: 15. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Mgr. Jozef Hritz, Ph.D.

Instituce: Masarykova univerzita
Oblast: Vědy o životě

Již sedmý projekt doktora Hritze z Masarykovy univerzity získal výpočetní zdroje IT4Innovations. Superpočítače využívá například pro studium komplexů proteinů 14-3-3 a tyrozin hydroxylázy (TH). Jeho projekt podaný v 15. veřejné grantové soutěži získal více než 1,5 milionu jádrohodin. Cílem výzkumu je odhalit změny strukturální a volné energie, které jsou klíčové pro vznik komplexů proteinů. Jakékoliv narušení interakcí zásadních pro vznik těchto komplexů může vést k řadě patologických stavů. Jeho výzkumná skupina se zaměří i na TH, enzym důležitý pro lidský mozek. Komplex TH/14-3-3 totiž reguluje hladinu dopaminu, látky, která je důležitá pro přenos vzruchů, a hraje významnou roli při vývoji Parkinsonovy choroby. Kombinací výpočetních simulací na superpočítači s experimentálními technikami (např. nukleární magnetická rezonance a kryoelektronová mikroskopie) lépe porozumí dynamickým vlastnostem a termodynamice shlukování proteinů. Výzkumný tým doktora Hritze již například zjistil pomocí výpočetních metod se zesíleným vzorkováním, že 14-3-3 protein musí pro vytvoření komplexu zaujmout přechodový konformační stav, který byl do té doby neznámý. Dále zjistili konzervovanou asociační dráhu, kterou se klientské proteiny po jejich fosforylaci dostávají do své finální vazebné konformace. Tyto znalosti je možné využít jak při objasnění efektu mutací podél této asociační dráhy, tak i pro její využití jakožto cílového místa pro navrhované léčiva modulující tuto skupinu 14-3-3 komplexu.

FLUIDIZAČNÍ REŽIMY VE FLUIDNÍM POTAHOVACÍM ZAŘÍZENÍ WURSTER

Výzva: 15. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Jiří Kolář

Instituce: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Oblast: Inženýrství

Pro potahování malých tablet se ve farmacii nejčastěji využívá fluidní potahovací zařízení typu Wurster. S jeho pomocí se na tablety nanáší různé vrstvy s rozličnými funkcemi. Některé vrstvy mohou obsahovat například aktivní farmaceutickou složku (AFS), jiné zase chrání AFS před rozkladem nebo prodlužují účinek léčiva. Při potahování tablet je však obtížné nastavit provozní parametry tak, aby byl získán produkt ve farmaceutické kvalitě. Cílem projektu Jiřího Koláře z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze, jenž získal téměř 3 miliony jádrohodin, je analyzovat závislost fluidizačních režimů na nastavení provozních parametrů zařízení Wurster, a to pomocí výpočetně náročných simulací. Následně se pokusí najít optimální zjednodušení tohoto modelu, který by pomohl urychlit a snížit náklady na vývoj léků.

ANALÝZA PŘÍČIN A PROGNÓZY UDÁLOSTÍ PCRF V SÍTÍCH 4G A 5G

Výzva: 15. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D.

Instituce: IT4Innovations a Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO
Oblast: Informatika

Náš kolega prof. Miroslav Vozňák a jeho výzkumný tým z Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB – Technické univerzity Ostrava získal téměř půl milionu jádrohodin pro projekt, jehož cílem je zvýšit spolehlivost a snížit náklady na udržování nových technologií zajišťujících provoz 4G a 5G mobilních sítí. Tento výzkum probíhá na základě spolupráce s centrem kompetence pro vývoj sítí provozovaným T-Mobile Czech Republic a.s. Společně chtějí nalézt klíčové zdroje dat, shromáždit informace o technických problémech a identifikovat ukazatele výkonu právě pro zvýšení spolehlivosti sítě a zabránění problémům v síti. Výsledky zpracování dat pomocí superpočítače budou sloužit pro plánované využití strojového učení například pro odhalení a klasifikaci anomálií v mobilních sítích.

VALIDACE MODELU PALM-4U S POZOROVACÍ KAMPANÍ V PRAZE-DEJVÍCÍCH

Výzva: 15. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Ondřej Vlček

Instituce: Český hydrometeorologický ústav
Oblast: Vědy o Zemi

PALM-4U (www.palm4u.org) je mikroměřítkový model, který umožňuje provádět detailní simulace meteorologických podmínek a kvality ovzduší v městských oblastech v rozlišení jednotek metrů. S jeho pomocí je snadnější modelovat stále častější extrémně vysoké teploty v sídelních aglomeracích (efekt tepelného ostrova města) a následné zvýšené znečištění ovzduší. Kromě toho umožňuje model komplexní hodnocení dopadů urbanistických scénářů na mikroklima i kvalitu ovzduší. Cílem projektu Ondřeje Vlčka z ČHMÚ a jeho kolegů z Univerzity Karlovy a Akademie věd ČR je provést podrobnou validaci nejnovějšího modelu PALM-4U v podmínkách Prahy s využitím poznatků z pozorovacích kampaní v Praze-Dejvicích. Ty zajistili odborníci z ČHMÚ ve dvou čtrnáctidenních cyklech v létě a v zimě roku 2018, během kterých kromě meteorologických podmínek a kvality ovzduší v uličních kaňonech měřili i teploty povrchů budov infračervenou kamerou a tepelné toky fasádami. K dispozici budou mít i data z meteorologických stanic v Praze. Na validaci modelu spolupracují s partnery z německého projektu MOSAIK (Plánování měst založené na modelu a jeho využití v oblasti změny klimatu) a získali na ni více než 1 milion jádrohodin v naší 15. veřejné grantové soutěži.

POČÍTAČOVÉ NÁVRHY NOVÝCH LÉKŮ

Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC

Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy

Hlavním řešitelem projektu zaměřeného na vývoj metody pro navrhovaní nových léků pomocí počítačů je Pavel Hobza z Akademie věd ČR. Jedná se o jeho devátý superpočítačový projekt, kterému byly přiděleny výpočetní zdroje IT4Innovations. Cílem prací jeho výzkumné skupiny je vytvořit spolehlivou výpočetní strategii pro identifikaci nových ligandů, které se vážou na terapeuticky relevantní proteiny, jako jsou např. HIV proteáza, cyklindependentní kinázy a aldo-keto reduktázy. V současné době se zaměřují na vývoj spolehlivých protokolů pro virtuální prohledávání knihoven sloučenin, které mohou obsahovat i několik milionů chemických látek. Pro virtuální hledání léčiv tentokrát získal tým profesora Hobzy více než 6 milionů jádrohodin.

ÚČINKY BIOMECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ LIPIDOVÝCH MEMBRÁN

Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Mgr. Pavel Jungwirth, CSc., DSc.

Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy

Na výzkum makroskopických vlastností lipidových membrán se zaměří prof. Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. S pomocí superpočítače a využití molekulární dynamiky bude simulovat chování lipidových dvojvrstev. U plazmatických membrán je důležité nejen jejich chemické složení (například jaké typy lipidů je tvoří), ale také jejich tvar. Jungwirthův tým se pokusí zjistit, jak tvar dvojvrstvy ovlivňuje interakce v membráně. Nové poznatky o tvarech membrány přinesou další možnosti pro regulace enzymů a dalších proteinů v buňkách.

STROJOVÉ UČENÍ PRO POPIS ZEOLITŮ

Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Miroslav Rubeš, Ph.D.

Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy

Výzkumnou oblastí, do které spadají projekty s nejvyššími alokacemi nejen u nás, jsou materiálové vědy. Do této oblasti patří i projekt Miroslava Rubeše z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR, který získal téměř 2 miliony jádrohodin. Zaměřuje se na zeolity, které se využívají jako detergenty, katalyzátory a adsorbenty. V roce 2017 činil trh se zeolity ve světě asi 30 miliard dolarů. Cílem Rubešova projektu je využít algoritmy strojového učení pro vytvoření modelu, který může pomoci hlubšímu porozumění jevů probíhajících v zeolitických materiálech.

KYSELINA HYALURONOVÁ: STRUKTURA, INTERMOLEKULÁRNÍ INTERAKCE A INTERAKCE
S PROTEINOVÝMI RECEPTORY

Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Marek Ingr, Ph.D.

Instituce: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Oblast: Vědy o životě

Kyselina hyaluronová je přírodní polysacharid obsažený například v pojivových tkáních a kloubním mazu. Má velké množství biologických funkcí a využívá se nejen v kosmetice, ale i ve zdravotnictví při léčbě kloubních onemocnění (osteoartritidy) a hojení ran či popálenin. Kyselina hyaluronová reaguje s proteinovými receptory a zprostředkovává mimo jiné buněčné signály. Podílí se tak pravděpodobně na rozvoji různých onemocnění včetně rakoviny. Výzkumem kyseliny hyaluronové a mechanismem vazby jejích molekul na proteinové receptory se zabývá i Marek Ingr z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně, který získal výpočetní čas v naší 12. i 14. veřejné grantové soutěži. Na superpočítači provádí simulace molekulové dynamiky s cílem odhalit například klíčové interakce hyaluronanu s proteiny. Získané poznatky mohou být využity při navrhování nových léků i kosmetických přípravků.

KONVEKCE A KLIMATICKÉ SIMULACE

Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Michal Belda, Ph.D.

Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Vědy o Zemi

Důležitým nástrojem pro posouzení klimatických změn jsou globální i regionální klimatické modely, které však mají stále relativně nízké rozlišení a možnost jejich využití pro lokální aplikace je proto omezená. Nízké rozlišení většiny modelů neumožňuje implicitní posouzení jevů, jako jsou vzestupné pohyby (konvekce) a s nimi spojené intenzivní srážky. Tyto jevy je třeba v modelech reprezentovat parametrizacemi. Od roku 2016 spolupracují vědci z téměř 30 institucí z celé Evropy na pilotní studii schválené poradním týmem World Climate Research Programme (WCRP), která využívá pro vytváření klimatických scénářů regionální modely v nehydrostatickém režimu ve vysokém rozlišení (3 km a méně), u nichž je předpoklad implicitního zahrnutí mechanismů konvekce. V budoucnu tak budeme mít mnohem podrobnější scénáře dopadů klimatických změn na regionální a lokální úrovni. Michal Belda z Univerzity Karlovy, který je do pilotní studie WCRP zapojen, získal v naší 14. veřejné grantové soutěži 1 milion jádrohodin na simulace dlouhodobého klimatu v minulosti, jež budou sloužit jako základ pro posouzení budoucích klimatických scénářů. Belda se zaměří na alpský region i Českou republiku.

OPTIMALIZACE ROTAČNÍCH STROJŮ POMOCÍ VÝPOČETNÍ DYNAMIKY TEKUTIN

Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Tomáš Krátký

Instituce: Univerzita Palackého v Olomouci
Oblast: Inženýrství

Tomáš Krátký z Univerzity Palackého v Olomouci získal půl milionu jádrohodin na vývoj plně automatizovaného modelu pro CFD simulace rotačních strojů. Tento nový model bude založený výhradně na open-source softwaru (OpenFOAM, Python) a umožní konstruktérům optimalizovat tvary rotačních strojů pro nejlepší možný hydraulický výkon. Získají tak lepší návrhy rotačních strojů za kratší čas. Nový výpočetní postup bude využit při návrhu čerpadla, které by svými výkonnostními parametry mělo předčit ty momentálně používané. Výzkumné a vývojové práce v oblasti numerických simulací pro optimalizace tvarů jsou klíčové pro společnosti vyrábějící čerpadla a turbíny. Firmy mohou díky rychlejšímu a levnějšímu výpočetnímu postupu pro hydraulické návrhy zefektivnit přizpůsobování výrobků přesně na míru zákazníkům.

Formování planetárních systémů

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ondřej Chrenko

Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Astrofyzika

Může vzniknout život na planetách objevených mimo naši sluneční soustavu (exoplanetách)? Jedním z dílčích kroků k nalezení odpovědi na tuto otázku je pochopení vzniku exoplanet a jejich soustav. Možné scénáře vzniku exoplanetárních systémů bude hledat Dr. Ondřej Chrenko z Univerzity Karlovy v projektu Formování planetárních systémů. Na výzkumu spolupracuje s dalšími českými astronomy, doc. Miroslavem Brožem a Dr. Davidem Nesvorným (působícím v USA), a rovněž s observatoří ve švédském Lundu. Pomocí výpočetních simulací na superpočítačích v IT4Innovations bude studovat vznik planetárních embryí a jejich dynamický vývoj v plynoprachových discích rotujících kolem mladých hvězd. 

Správnost a přesnost pro molekulární krystaly II

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.

Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy

Jiří Klimeš a jeho tým získal téměř 2 miliony jádrohodin na vývoj metod pro simulace materiálů. Jeho projekt Správnost a přesnost pro molekulární krystaly využívá poznatky kvantové chemie a přístupy používané pro popis pevných látek a získal na něj i prestižní Startovací grant Evropské výzkumné rady. V přírodě i průmyslu hrají molekulární pevné látky (molekulární krystaly) důležitou roli. Uveďme si například metan hydrát, tzv. hořící led, potenciálně velmi významný zdroj energie, polární čepice bohaté na oxid uhličitý na Marsu a léky v pilulkách. Některé molekulární krystaly mají zvláštní a přitom důležité vlastnosti. Příkladem je polymorfismus, schopnost existovat v různých strukturách při stejných podmínkách, který může být zásadní pro účinnost léků v těle. Cílem projektu Jiřího Klimeše je vyvinout metody, kterými bude možné spolehlivě vypočítat vazebné energie v materiálech jako jsou molekulární krystaly, což pomůže pochopit jejich vlastnosti. Superpočítač Salomon skupina využije pro získání vazebných energií 13 vybraných molekulárních krystalů.

Reakční mechanismy metaloenzymů

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Lubomír Rulíšek, Ph.D., DSc.

Instituce: Ústav organické chemie a biochemie AV ČR
Oblast: Vědy o životě

Metaloproteiny hrají v přírodě významnou roli coby katalyzátory biochemických reakcí, které by bez přítomnosti iontu kovu neprobíhaly. Jedná se o téměř všechny oxidačně-redukční procesy, spinově zakázané procesy či procesy, při kterých dochází ke štěpení velmi stabilních chemických vazeb (C-H vazby či trojná, resp. dvojná vazba v molekulách N2 či O2 ). Příkladem těchto základních biologických procesů je fotosyntéza nebo buněčné dýchání. Pro porozumění funkce a struktury metaloproteinů jsou důležité nejen experimenty (např. rentgenová krystalografie, spektroskopie a elektrochemická měření), ale i výpočetní metody teoretické chemie, které dokážou poskytnout strukturní a energetické charakteristiky metaloproteinů. Projekt Lubomíra Rulíška z Akademie věd ČR se zabývá studiem tří vybraných metaloproteinů s tzv. polynukleárními centry (tedy více iontů kovů v aktivním místě enzymu), jenž mají význam nejen v přírodě, ale i jako potenciální průmyslové katalyzátory. Jeho projekt získal přes 3 miliony jádrohodin. Přidělený výpočetní čas využije k porovnání experimentálních výsledků s výsledky kvantově-mechanického modelování (s použitím programů Turbomole, MOLCAS, Amber, ComQum, ORZ) s cílem získat základní popis katalytických cyklů studovaných metaloenzymů. Výsledky výzkumu mohou být využity pro biomimetické (biologií inspirované) návrhy katalytických systémů, které by mohly najít využití v chemickém průmyslu.

PaReTran2 (Paralelizovaný reakčně-transportní model šíření kontaminace v podzemních vodách 2)

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Michal Podhorányi, Ph.D

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Vědy o Zemi

Radioaktivní odpady (RAO) vydávají nebezpečné záření i po desítky tisíc let. Proto musí být izolovány od životního prostředí na dlouhou dobu, dokud se nepřemění na látky stabilní. V České republice jsou RAO bezpečně ukládány do tří úložišť radioaktivních odpadů. Za celosvětově nejúčinnější a nejbezpečnější cestu ke zneškodnění těchto látek se však považuje hlubinné úložiště ve stabilním geologickém prostředí, kde nehrozí například zemětřesení a záplavy. V ČR zodpovídá za projekt hlubinného úložiště Správa úložišť radioaktivních odpadů, která počítá s jeho zahájením v roce 2065. V současné době identifikuje potenciálně vhodné lokality a finální lokalita by měla být vybrána v roce 2025. Naši kolegové Michal Podhorányi a Lukáš Vojáček spolupracují od roku 2017 s Masarykovou univerzitou a společností DHI na projektu Paralelizovaný reakčně-transportní model šíření kontaminace v podzemních vodách (PaReTran) podpořeném Technologickou agenturou České republiky (TH02030840). Cílem PaReTranu je zlepšit možnosti analýzy potenciálního rizika kontaminace životního prostředí v důsledku dlouhodobého šíření radioaktivních látek z hlubinného úložiště radioaktivních odpadů okolním horninovým prostředím. Simulace pomocí reakčně-transportních modelů (FEFLOW) jsou výpočetně náročné a jejich paralelizace pro nasazení na systémy HPC umožní urychlení simulací. Výpočetní čas získaný v naší 13. veřejné grantové soutěži vědci využijí pro vývoj programu TRM. Zaměří se na testování a měření škálovatelnosti paralelizace programu s využitím volně dostupných knihoven PhreeqcRM pro simulace geochemických procesů.

PredictSNP-Onco: Analýza strukturní bioinformatiky pro personalizovanou dětskou onkologii

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Gaspar Pinto a Mgr. Jan Štourač

Instituce: Masarykova univerzita
Oblast: Vědy o životě

Výzkumné týmy profesora Jiřího Damborského a Davida Bednáře z Masarykovy univerzity, profesora Jaroslava Štěrby z Dětské nemocnice FN Brno a docenta Ondřeje Slabého z CEITECu vyvíjí nový výpočetní nástroj PredictSNP-Onco pro personalizovanou dětskou onkologii. Nový nástroj by mohl lékařům usnadnit rychlejší stanovení nejvhodnější léčby pro každého jednotlivého pacienta, u něhož dosavadní standardní postupy nevedly k úspěchu, anebo kde je pravděpodobnost vyléčení standardními postupy velmi malá. Vznik nádorové buňky může způsobit jedna jediná mutace. Proto je potřeba mutaci co nejrychleji vyhodnotit a zvážit léčbu všemi dostupnými léky (inhibitory), které prošly schválením Evropskou lékovou agenturou (EMA), Státním úřadem pro kontrolu léčiv (SÚKL), event. americkou vládní agenturou – Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv FDA. Výpočetní čas na Salomonu ve výši téměř 800 tisíc jádrohodin vědci využijí pro vyhodnocení všech možných mutací bílkovin, které vedou k rozvoji rakoviny, a na analýzy inhibitorů výpočetní metodou molekulárního dokování. Využitím informací ze čtyř světových databází mutací společně s vypočítanými výsledky pomohou s návrhem nových možností personalizované/precizní léčby pro různé typy nádorových onemocnění. Lékaři tak získají za kratší dobu více informací a budou moci rychleji nasadit správnou léčbu konkrétnímu pacientovi ve správný čas.

Interakce molekuly léčiva a slzného filmu lidského oka

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Lukasz Cwiklik, Ph.D., DSc.

Instituce: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR
Oblast: Vědy o životě

Slzný film chrání rohovku našeho oka před vysycháním. Vyživuje rohovkový povrch a je první linií obrany proti infekci očního povrchu. Vytváří se rozetřením slzy po povrchu oka mrknutím víčka. Jeho tloušťka se během mrkání mění. Skládá se de facto z vrstvy tukové (lipidové) a vodné. Poruchy v lipidové vrstvě vedou k syndromu suchého oka, který se léčí očními kapkami. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR zkoumají jako jediní na světě účinnost očních kapek na molekulární úrovni. Hledají cesty, jak skrze lipidovou vrstvu dostat požadované látky. Věnují se simulacím lipidové vrstvy na molekulární úrovni a na výzkumu slzného filmu spolupracují i s farmaceutickými společnostmi. Mikroskopický výzkum lipidové vrstvy nyní Lukasz Cwiklik doplní o výpočetní simulace na superpočítači Salomon. Jeho projekt získal více než 1,5 milionu jádrohodin v naší 13. veřejné grantové soutěži. Přidělený výpočetní čas využije pro studium vybraných lipofilních léků a slzného filmu, konkrétně jak léky pronikají přes lipidovou vrstvu do vrstvy vodnaté. Experimentální (využití biomimetického čipu, na jehož konstrukci získali prestižní grant Neuron Impuls) a výpočetní výsledky výzkumu přinesou lepší poznatky o interakcích léčiv se slzným filmem a možná i návrh nové generace očních kapek. Webové stránky výzkumu Dr. Cwiklika: http://cwiklik.net.

Centrum výzkumu nízkouhlíkových energetických technologií

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Jan Boháček, Ph.D.

Instituce: Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Inženýrství

Projekt Ing. Jana Boháčka, Ph.D. z Vysokého učení technického v Brně, který se podílí na řešení pětiletého projektu Centrum výzkumu nízkouhlíkových energetických technologií (CVNET, CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000753) podpořeného Operačním programem Výzkum, Vývoj a Vzdělávání, získal téměř 1 milion jádrohodin. Laboratoř přenosu tepla a proudění na VUT v Brně se již 10 let zabývá vývojem moderních tepelných výměníků s dutými polymerními mikrovlákny. Výhodou použití plastových dutých vláken ve výměnících je flexibilita vláken, nízká cena a chemická odolnost. Tzv. plastové výměníky jsou ideální například pro vytápění, klimatizaci a pro aplikace s využitím odpadního nízko potenciálního tepla. Přidělený výpočetní čas využijí vědci z VUT v Brně na vývoj polymerních výměníků tepla, konkrétně na detailní simulace přenosu tepla. Budou analyzovat různé faktory, které ovlivňují přenos tepla v polymerních dutých mikrovláknech (průměry, délky a rozteče vláken).

Strukturální studie lidských a zvířecích virů

Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Pavel Plevka, Ph.D.

Instituce: CEITEC MU
Oblast: Vědy o životě

Projekt Dr. Pavla Plevky z CEITEC Masarykovy univerzity získal 2 213 000 jádrohodin pro výzkum pikornavirů, flavivirů a bakteriofágů. Naše superpočítače a přidělené výpočetní zdroje využije pro zpracování a analýzy mikrofotografií pořízených špičkovými elektronovými mikroskopy. Pikornaviry způsobují nejen běžná nachlazení, ale i závažná onemocnění jako například záněty mozkových blan a dýchacích cest. Vědci určí strukturu virových částic (virionů), pomocí kterých se virus šíří z jedné buňky do druhé, a také popíší množení virů v infikovaných buňkách. Flaviviry, včetně viru zika a klíšťové encefalitidy, způsobují potenciálně smrtelná neurologická onemocnění. Vědci se zaměří právě na klíšťový virus encefalitidy, který každoročně způsobuje v České republice stovky potenciálně smrtelných infekcí. Výsledky projektu poskytnou vědcům podrobný popis mechanismu replikace virů.

Strukturní charakterizace přirozeně neuspořádaných (nestrukturovaných) proteinů

Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Mgr. Lukáš Žídek, Ph.D.

Instituce: Masarykova univerzita
Oblast: Vědy o životě

Přirozeně neuspořádané proteiny jsou makromolekuly bez jedinečné prostorové struktury. Nemají stabilní prostorové uspořádání, a tedy jediné termodynamické minimum, které by určovalo jejich funkci. Během posledního desetiletí si získaly širokou pozornost díky své významné roli ve velkém množství buněčných procesů. Jedná se například o přepisování informace z DNA a také o jejich možnou souvislost s neurodegenerativními chorobami. Vědecké objevy posledních let ukazují, že hlavní roli ve funkci proteinů nehraje jejich prostorové uspořádání, nýbrž jejich dynamické chování. Náplní projektu prof. Lukáše Žídka z Masarykovy univerzity, který získal 1 480 000 jádrohodin, je získat kombinací nejmodernějších rozsáhlých počítačových simulací společně s vlastními prediktivními kódy a pokročilými experimentálními technikami (jako je spektroskopie nukleární magnetické rezonance či maloúhlový rentgenový rozptyl) více informací o konformačním chování vybraných nestrukturovaných proteinů.

Optimalizace materiálů pro nový typ lithiových baterií

Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Dominik Legut, Ph.D.

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Materiálové vědy

Náš kolega Dr. Dominik Legut se zabývá výzkumem lithium- -kovových baterií. Lithium-kovové baterie mají na rozdíl od lithium-iontových baterií vyšší energetickou hustotu a dokážou uchovat až 10x více energie. Anody z lithia nicméně čelí mnoha výzvám kvůli problémům s nízkou nabíjecí účinností, změnou objemu při nabíjení/vybíjení ale zejména s dendritickým růstem. V roce 2017 publikoval Dr. Legut společně s kolegy z USA, Číny a Singapuru článek na téma ochranné filmy pro lithium- -kovové baterie v magazínu Advanced Energy Materials s impakt faktorem 16. Speciální ochranné dvoudimenzionální filmy o tloušťce několika atomů totiž dokážou zabránit propojení elektrod (a následnému nebezpečnému zkratu), ke kterému může dojít kvůli dendritickému růstu na lithiových anodách. Nyní získal Dr. Legut 8 milionů jádrohodin na výzkum optimální struktury lithiových anod. S dalšími kolegy se bude snažit navrhnout optimální materiál pro lithiové anody pomocí prediktivních algoritmů, výpočtů chemické stability a mechanických vlastností.

Urychlení protonů pomocí interakce laseru s mikro-shluky plazmatu z pásku kryogenního vodíku

Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Martin Matys

Instituce: České vysoké učení technické v Praze
Oblast: Vědy o životě

Projekt Českého vysokého učení technického v Praze Ing. Martina Matyse a Dr. Jana Pšikala (současně vědečtí pracovníci v projektu ELI Beamlines) získal 800 000 jádrohodin a zabývá se vývojem urychlovačů iontů. Konkrétně pracují na výzkumu urychlování protonů vlivem interakce vysoce výkonného laserového impulzu s terčíkem z tenkého pásku kryogenního (ledového) vodíku. Laserem řízené urychlovače iontů by v budoucnu mohly nahradit finančně velmi nákladné klasické urychlovače a tím například snížit cenu protonové terapie pro léčbu onkologických onemocnění a také cenu výroby lékařských izotopů pro pozitronovou emisní tomografii. Vědce zajímá interakce, kdy se laserový paprsek propálí skrz terčík a pak reaguje se zbytkovými mikro-shluky plazmatu, které mají mnohem nižší hustotu než počáteční terč. Takový mechanismus může protony urychlit až na energie o velikosti několik stovek milionů elektronvoltů. Cílem projektu je tento mechanismus blíže prozkoumat, a to pomocí numerických trojrozměrných simulací, které jsou ve srovnání s reálnými experimenty výrazně levnější. 

Vývoj výpočetního kódu pro relativistickou spektroskopii (ReSpect) ke studiu komplexních sloučenin těžkých kovů pro léčbu rakoviny

Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Jan Vícha, Ph.D.

Instituce: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Oblast: Materiálové vědy

Jednou z léčebných metod rakoviny je chemoterapie. Nejužívanějším chemoterapeutikem jsou léky na bázi platiny. Klíčovým krokem pro jejich další vývoj je důkladnější pochopení struktury, vlastností, dynamiky a reakčních mechanismů těchto léků. Projekt Dr. Jana Víchy z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně navazuje na výsledky jeho předešlých výzkumů a také na výsledky jeho projektu z naší 9. veřejné grantové soutěže. Cílem nového projektu, který tentokrát získal 1 134 000 jádrohodin, je zvýšit prediktivní schopnosti a přesnost výpočtů spektroskopických vlastností komplexních sloučenin platiny v programu ReSpect, který vyvíjí partnerská organizace projektu – Artic University of Norway. Nově upravený kód programu ReSpect bude nejprve testován pomocí výpočtů magnetické rezonance jednoduchých platinových chemoterapeutik, jako je cisplatina a oxaliplatina v roztoku. Výzkumné práce budou poté rozšířeny na simulace nových pokročilých nosičů platinových léčiv, což je také hlavním tématem projektu podpořeného Grantovou agenturou ČR „Pokročilé nosiče platinových léčiv“, jehož řešitelem je také Dr. Vícha. Alokované výpočetní zdroje budou využity na testování upraveného kódu a pro relativistické kvantově chemické výpočty v programu ReSpect pro predikci a analýzu parametrů magnetické rezonance u komplexních sloučenin těžkých kovů.

Analýza biologických obrazů s využitím FIJI na HPC – cesta k exascale

Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Ing. Michal Krumnikl, Ph.D.

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Vědy o životě

Projekt IT4Innovations národní superpočítačové centrum – cesta k exascale a jím podpořený výzkum na téma analýzy biologických obrazů s využitím HPC umožňuje IT4Innovations zapojit se do výzkumu zpracování rozsáhlých biologických dat pomocí vysokovýkonných výpočetních systémů (HPC). Tento výzkum je zaměřen na paralelizaci zpracování dat například z light sheet mikroskopie. Light sheet mikroskopie se stala populární pro snímání živých buněk a organizmů díky své rychlosti a nízké foto-toxicitě, která umožňuje mikroskopicky snímat kompletní živé systémy, jako např. embrya, ve třech dimenzích s vysokým rozlišením a po celou dobu jejich vývoje. Hlavním cílem projektu je rozšířit možnosti platformy Fiji, kterou využívají desítky tisíc uživatelů na celém světě pro zpracování velkých obrazových dat. Vývojový tým Dr. Krumnikla ve spolupráci s Dr. Pavlem Tomančákem z Max Planck Institutu v Drážďanech, upraví jednotlivé postupy pro analýzu dat tak, aby mohla být bezproblémově spuštěna na vysokovýkonných výpočetních systémech. Vývoj a nasazení platformy Fiji na HPC umožní jejím uživatelům plně využít její potenciál na velkých biologických obrazových datech.

Srovnání metod vnoření slov

Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Martin Fajčík

Instituce: Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Informatika

Způsob číselné reprezentace slov používaný v počítačovém zpracování přirozeného jazyka se označuje jako technika vnoření slov. Spočívá ve vytvoření vektoru pro každé slovo. Pokročilé metody vnoření slov nacházejí uplatnění v různých oblastech souvisejících například s rozpoznáváním řeči a překladem. Cílem projektu Ing. Martina Fajčíka z Vysokého učení technického v Brně, který získal 850 000 jádrohodin, je experimentovat se současnými nejmodernějšími technikami vnoření slov (statistickými i prediktivními) jejich učením pomocí rozsáhlých datových souborů. Tým vědců chce identifikovat slabá místa různých technik a navrhnout způsoby pro jejich další zlepšení. Práce na projektu zahrnuje také pochopení vztahů vektorů slov s jejich skutečným významem. Zajímavostí bude i zpracování homonym, synonym, antonym a hyponym. Z modelů je možné odhadnout nejen vztahy mezi slovy, které se „naučily“, ale dokonce vyjádřit i míru těchto vztahů a pracovat se slovní aritmetikou (například jak jsou si slova podobná). Uveďme si příklad: Když od vektoru slova král odečteme vektor slova muž a přidáme vektor slova žena – dostaneme vektor blízký jakému slovu?

Vývoj nových léčiv pomocí Deep Learning

Výzva: 11. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Vojtěch Cima

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Vědy o životě

Projekt Ing. Vojtěcha Cimy „Deep learning pro návrh nových léků“ získal 400 000 jádrohodin. Alokované jádrohodiny budou využity na hluboké učení pro předvídání působení potenciálních léčiv a jejich možných vedlejších toxických účinků. Pomocí predikčních algoritmů může být vývoj léků urychlen a zároveň může dojít k snížení nákladů celého procesu návrhu léků. Tento výzkum probíhá v rámci projektu ExCAPE, jehož cílem je vyvinout algoritmy pro řešení komplexních úloh z oblasti farmakologie.

Molekulární simulace materiálů na bázi cínu pro extrémní ultrafialovou litografii

Výzva: 11. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D.

Instituce: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Oblast: Materiálové vědy

Jak dokáže cílené vysokoenergetické záření změnit materiál? K jakým konkrétním změnám na molekulární úrovni dojde? Chemické změny materiálů pod vlivem fotonů o vysoké energii zkoumá tým pod vedením prof. Petra Slavíčka v Laboratoři teoretické fotodynamiky na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. Jejich projekt „Molekulární simulace materiálů na bázi cínu pro extrémní ultrafialovou litografii (EUV)“ získal 1 082 000 jádrohodin. Cílem projektu je popsat molekulární změny při ionizaci organocínatých sloučenin (tzv. Sn-O klecí) extrémním ultrafialovým zářením. Tyto sloučeniny mohou sloužit jako tzv. fotorezistní materiály pro EUV litografii. Jedná se o litografii nové generace pro nanometrové rozměry, využitelnou při efektivní výrobě nových počítačových čipů. Metoda je založena na změně fyzikálně-chemických vlastností fotorezistů (např. jejich rozpustnosti) po EUV ozáření. Ozářením specifických míst materiálu Jak dokáže cílené vysokoenergetické záření změnit materiál? může mít výsledná struktura rozlišení do 10 nm, což je hranice dnešních komerčních čipů. Značná výpočetní náročnost molekulových simulací ionizovaných Sn-O sloučenin je dána bohatou elektronovou strukturou cínu. Simulace jediné trajektorie trvající půl pikosekundy vyžaduje téměř týden počítačového času na běžných procesorech. Náš superpočítač Salomon, který má dohromady 76 896 jader (procesory Intel Haswell a akcelerátory Intel Xeon Phi), umožní výzkumníkům provést rozsáhlé simulace, které by jinak nebyly prakticky proveditelné.

IntA

Výzva: 11. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Petr Vrchota, Ph.D.

Instituce: Výzkumný a zkušební letecký ústav
Oblast: Inženýrství

Návrh nových regionálních letadel a dopravních letounů je ovlivněn především ekonomickými a ekologickými faktory. Jednotlivé části letadel jsou optimalizovány například z hlediska aerodynamické účinnosti, spotřeby paliva a emisí. Další možností snížení aerodynamického odporu a úspory paliva jsou optimalizované integrované komunikační antény. Antény obvykle tzv. vyčnívají a přispívají k celkovému odporu letadla. Projekt „IntA“ Dr. Petra Vrchoty z Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu získal 200 000 jádrohodin. Projekt IntA se zaměřuje na návrh křídla letadla s integrovanou anténou, čímž by mělo dojít ke zlepšení letových výkonů a aerodynamické účinnosti celého letounu, snížení spotřeby paliva a ovlivnění dopadů na životní prostředí. Cílem projektu je snížit aerodynamický odpor letadla pomocí integrované antény až o 2 %.

Relativní stabilita párů bází v nukleových kyselinách

Výzva: 11. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.

Instituce: CEITEC, Masarykova univerzita
Oblast: Vědy o životě

Vědci pod vedením Dr. Kamily Réblové a Dr. Petra Kulhánka ze Středoevropského technologického institutu (CEITEC) na Masarykově univerzitě získali 634 000 jádrohodin pro studium relativní stability párování bází v deoxyribonukleových kyselinách (DNA). Řetězce dvojité dvoušroubovice DNA nesou genetickou informaci, jejíž integrita je zajištěna pomocí komplementárního Watson-Crickova párovaní. Při replikaci DNA, ke kterému dochází při dělení buněk, je tato komplementarita využita pro vytvoření dvou identických kopií DNA. Při replikaci však může Oprava poškozeného párování bází S 08 | NEWSLETTER Q 04/2017 Ing. Petr Vrchota, Ph.D. (Výzkumný a zkušební letecký ústav): IntA Návrh nových regionálních letadel a dopravních letounů je ovlivněn především ekonomickými a ekologickými faktory. Jednotlivé části letadel jsou optimalizovány například z hlediska aerodynamické účinnosti, spotřeby paliva a emisí. Další možností snížení aerodynamického odporu a úspory paliva jsou optimalizované integrované komunikační antény. Antény obvykle tzv. vyčnívají a přispívají k celkovému odporu letadla. Projekt „IntA“ Dr. Petra Vrchoty z Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu získal 200 000 jádrohodin. Projekt IntA se zaměřuje na návrh křídla letadla s integrovanou anténou, čímž by mělo dojít ke zlepšení letových výkonů a aerodynamické účinnosti celého letounu, snížení spotřeby paliva a ovlivnění dopadů na životní prostředí. Cílem projektu je snížit aerodynamický odpor letadla pomocí integrované antény až o 2 %. Křídlo letadla s integrovanou anténou dojít k chybám projevujícím se nesprávným párováním bází, které je rozpoznáváno celou řadou opravných mechanismů. Jedním z nich je MMR (anglicky: mismatch repair), ve kterém enzym MutS rozpoznává chybné párovaní a při jeho nalezení spouští kaskádu procesů vedoucí k jeho opravě. Získaný výpočetní čas na superpočítačích IT4Innovations umožní vědcům uskutečnit molekulární simulace krátkých molekul DNA a zaměřit se na charakterizaci stability párování všech možných kombinací bází obsahujících jak správné Watson-Crickovo párování tak i všechny ostatní kombinace.

Počítačové návrhy nových léků

Výzva: 10. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC

Instituce: Ústav organické chemie a biochemie Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy

Prof. Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky se zabývá počítačovými návrhy nových léků. Jeho projekt „In silico drug design“ získal 7 425 000 jádrohodin v rámci 10. Veřejné grantové soutěže. Získané výpočetní prostředky využije tým prof. Pavla Hobzy na vývoj metod pro virtuální hledání léčiv. Tento přístup využívá molekulární modelování (dokování a skórování) k identifikování vhodných látek pro vývoj nových léčiv a je prakticky využíván farmaceutickým průmyslem. Kvůli vysokým požadavkům na rychlost výpočtů je však stále spolehlivost těchto metod nízká. S pomocí našich supervýkonných počítačů dokáží vědci z týmu prof. Hobzy předvídat pomocí přesných kvantově-chemických výpočtů jak strukturu léku v aktivním místě proteinů tak i jejich schopnost se vázat, což napovídá o jejich léčebných účincích. Nedávno publikovaný přístup je v současné době využíván ve spolupráci s předními farmaceutickými společnostmi.

Experimentální ověření výpočetních simulací šíření ultrazvuku v živých tkáních za nelineárních podmínek

Výzva: 10. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Jiří Jaroš, Ph.D.

Instituce: Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Vědy o životě

Na výzkum v oblasti výpočetních simulací šíření ultrazvuku v živých tkáních získal výzkumný tým Dr. Jiřího Jaroše 2 678 000 jádrohodin. Vědci se zabývají cíleným ultrazvukem, který nachází uplatnění v neinvazivní terapii pro léčení rakoviny a dalších nemocí. Cílený ultrazvuk pracuje na principu vysílání soustředěných paprsků ultrazvukových vln o vysoké intenzitě do živé tkáně. Lékaři tak mohou pacienta zbavit nádoru bez invazivního zákroku (chirurgické operace). Výsledky ultrazvukové operace nicméně ovlivňují mnohé faktory, jako například přítomnost kostí, velkých cév, nebo tuková vrstva obalující orgány. Tyto faktory vedou k oslabení, rozptýlení a odrazům ultrazvukové vlny, která pak nemá dost energie v požadovaném místě. Přidělenou alokaci proto využije výzkumný tým z Vysokého učení technického v Brně pro hodnocení přesnosti a optimalizaci modelů šíření ultrazvuku v živých tkáních.

ESPRESO FEM – Modul přenosu tepla

Výzva: 10. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Tomáš Brzobohatý, Ph.D.

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Informatika

Projekt Dr. Tomáše Brzobohatého „ESPRESO FEM – Heat Transfer Module“ získal 2 425 000 jádrohodin. Výzkumný tým se bude zabývat vývojem a testováním komplexní a masivně paralelní knihovny založené na metodě konečných prvků, pro simulaci problémů přenosu tepla a jejich optimalizaci. Součástí knihovny je masivně paralelní iterační řešič ESPRESO vyvíjený na IT4Innovations.

PIC simulace distribuce tepelného toku na komponenty stěn termojaderného reaktoru a experimenty v tokamaku WEST

Výzva: 10. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Michael Komm, Ph.D.

Instituce: Ústav fyziky plazmatu Akademie věd České republiky
Oblast: Fyzika

Vědci z Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd České republiky se věnují výzkumu spojenému s mezinárodním dlouhodobým úsilím o ovládnutí termojaderné fúze. Projekt Dr. Michaela Komma získal 300 000 jádrohodin v rámci 10. Veřejné grantové soutěže a zabývá se modelováním depozice tepla neseného částicemi plazmatu na komponenty první stěny (plasma-facing components, doslovně části reaktoru dívající se na plazma). Výzkum je zaměřený na experimenty na tokamaku WEST, který se nachází v Cadarache v jižní části Francie, a ve kterém se budou testovat prototypy komponentů určených pro budovaný tokamak ITER. ITER by měl jako první fúzní zařízení produkovat více energie, než kolik spotřebuje, což je ovšem spojeno s extrémními tepelnými toky, které jsou na hranici materiálových možností komponent první stěny. Cílem projektu Akademie věd ČR je zjistit, zda je porozumění interakce plazmatu s komponentami první stěny dostatečně přesné pro úspěšný provoz termojaderného reaktoru.

Role hybridizace při vzniku asexuálních linií u ryb

Výzva: 9. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Karel Janko

Instituce: Ostravská univerzita
Oblast: Vědy o životě

Vědci z Ostravské univerzity se budou zabývat velmi zajímavým tématem – asexuálním rozmnožováním u ryb. Zaměří se na ryby z čeledi sekavcovitých (Cobitidae), které jsou v Evropě rozšířené. Možná znáte některé zástupce této čeledi vyskytující se u nás: piskoře pruhovaného či sekavce písečného. Rozmnožovací schopnosti těchto ryb mohou být opakovaně narušovány mezidruhovým křížením. Mezidruhové křížení může vést ke vzniku tzv. asexuálních jedinců: neplodných samců a samiček, které plodné jsou, nicméně pohlavně se nerozmnožují. Rozmnožují se totiž klonálně. Asexuálním samičkám stačí, aby pohlavními buňkami plodných (nezkřížených) samečků pouze vývoj vajíček nastartovaly, bez nutnosti procesu oplození. Potomstvem jsou pak výhradně dcery, klony své matky. Proč při mezidruhovém křížení vznikají jedinci rozmnožující se výhradně klonálně? Představuje vznik takovýchto nepohlavních jedinců neodmyslitelný krok v evolučním procesu vzniku nových druhů? Na tyto a další otázky budou hledat odpovědi za pomoci superpočítačů v IT4Innovations vědci pod vedením dr. Karla Janka v rámci projektu „Role hybridizace při vzniku asexuálních linií u ryb“.

Studium komplexů proteinů spojovaných s neurodegenerativními onemocněními

Výzva: 9. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Jozef Hritz

Instituce: Masarykova univerzita
Oblast: Vědy o životě

Vědecký tým pod vedením dr. Jozefa Hritze využije superpočítačů v IT4Innovations pro studium komplexů proteinů 14-3-3, které jsou spojovány s onkologickými a neurodegenerativními onemocněními, jako jsou Alzheimerova a Parkinsonova choroba. Statická molekulární struktura těchto proteinů byla na atomární úrovni již prostudována díky experimentálním technikám, rentgenové krystalografii nebo nukleární magnetické rezonanci. Jejich dynamika však zatím není dobře prozkoumána. Studium dynamických vlastností je pro pochopení vzniku těchto komplexů důležité, protože tato znalost umožní cíleně zasáhnout do procesů zodpovědných za vznik a průběh Alzheimerovy a Parkinsonovy choroby. Vědci z Masarykovy univerzity by chtěli tyto změny popsat a tím přispět k pochopení obou neurodegenerativních chorob.

Detekce a měření fraktur očnic ze snímků počítačové tomografie

Výzva: 9. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Petr Strakoš

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Vědy o životě

Výzkumný tým na IT4Innovations implementuje moderní postupy informačních technologií v diagnostických metodách medicíny. Zaměřuje se na přesnou detekci a měření fraktur očnic ze snímků počítačové tomografie (CT) ve spolupráci s lékaři z Fakultní nemocnice Ostrava. Cílem projektu je vyvinout nové metody, popřípadě vylepšit ty stávající, pro analýzu CT snímků, a to díky filtraci a segmentaci obrazů a vývoji paralelních algoritmů pro rekonstrukci 3D modelů. Algoritmy budou použity pro analýzu poúrazových ošetření u pacientů s očním poraněním.

Vývoj knihovny BEM4I

Výzva: 9. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Michal Merta

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Informatika

Vědci z IT4Innovations pokračují ve vývoji knihovny paralelních řešičů založených na metodě hraničních prvků (BEM). V rámci předchozího projektu byla tato knihovna (BEM4I) akcelerována pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi (Knights Corner, KNC), což doplnilo již existující a funkční paralelizaci pomocí OpenMP a MPI. V této fázi se se zaměří na další optimalizace kódu a jeho testování na nové generaci procesorů Intel Xeon Phi (Knights Landing, KNL). Cílem projektu je vyvinout efektivní knihovnu pro rychlé řešení hraničních integrálních rovnic. Vědci se budou zabývat vektorizací sestavení systémových matic a paralelizací v distribuované paměti. BEM4I bude možné využít při řešení reálných inženýrských problémů z oblasti šíření zvuku či úloh tvarové optimalizace.