Matematiker räknar bubblor

2013-03-27

Anna-Karin Tornbergs forskning flyttar fram gränserna för vad som är möjligt att datorsimulera. Hon utvecklar beräkningar för hur vätskor beter sig tillsammans med objekt som bubblor och fibrer.

När något är roligt kan det leda långt. Anna-Karin Tornberg började läsa teknisk fysik 1991. Då hade hon inte några tankar på att doktorera i framtiden. Nu är hon professor i numerisk analys vid matematiska institutionen på Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm, och föreståndare för avdelningen för numerisk analys. Hon är också koordinator på Linné Flow center som finansieras av Vetenskapsrådet och är ledamot i Kungliga Vetenskapsakademien.

– Det är mycket en slump att jag hamnat där jag är. Man kommer in på saker som är roliga och de leder vidare till något annat kul, säger Anna-Karin Tornberg.

Men självklart ligger också mycket arbete bakom. God koncentrationsförmåga och uthållighet är två av hennes styrkor.

Räknar på bubblor och droppar

Som forskare utvecklar Anna-Karin Tornberg algoritmer ­– beräkningsmodeller – för att kunna utföra datorsimuleringar av komplexa fysikaliska och biologiska system.

– Ett spännande område där mycket händer. Tidigare var jag glad om jag kunde simulera hur en vätska strömmar i en kanal. Nu tittar vi på hur vätskor rör sig i komplexa geometrier, och på interaktionen med sådant som fibrer, partiklar, droppar och bubblor. Det är många olika ekvationer som ska kopplas ihop, säger Anna-Karin Tornberg.

Datorsimuleringar som tidigare inte kunde göras blir möjliga, men arbetet handlar också om att minska beräkningstiderna.

– Effektiva algoritmer står alltid högt upp på dagordningen. Det gör stor skillnad om simuleringstiden kan minskas från tre dygn till en natt.

Samarbetar kring verkliga problem

De nya algoritmerna har många användningsområden, till exempel inom elektromagnetism, materialvetenskap och strömningsmekanik. Forskare inom tillämpningsområdena arbetar också mycket med datorsimuleringar, men Anna-Karin Tornberg och hennes kollegor inom numerisk analys har delvis annat fokus.

– Vi har ett större intresse av själva algoritmen. Vi fokuserar mer på att designa nya algoritmer, förstå hur de fungerar, förbättra och undersöka hur stora fel de ger.

Samarbetsorganet SeRC – Svenskt e-Vetenskapligt forskningscenter – ger goda möjligheter att samarbeta med forskare inom olika tillämpningar. Anna-Karin Tornberg tycker att det är viktigt att ha en viss användning i åtanke.

– När jag har ett verkligt problem utmanar jag mig själv och ställer de rätta frågorna, vilket driver på utvecklingen av algoritmen. En viktig uppgift är att fungera som en brygga mellan olika forskningsområden. Metoder som utvecklats för vissa system kan fungera utmärkt i andra sammanhang, med mindre modifikationer.

Flimmerhårens strömningsmekanik

Framöver finns många spännande tillämpningar, till exempel inom mikroskopisk strömningsmekanik, där beräkningarna gäller extremt små mängder vätska.

– Det är ett forskningsområde på stark tillväxt, bland annat på grund av utvecklingen av mikrolabb, ”lab-on-a-chip”, som gör det möjligt att analysera om en person lider av en viss sjukdom utan laboratorium.

Biologisk strömningsmekanik är också på frammarsch. I höstas deltog Anna-Karin Tornberg i en workshop om strömningsmekanik för de system av flimmerhår som finns i människokroppen.

– Jag skulle vilja kunna räkna på dessa små, små hårstrån som skapar vätskeströmning runt ett foster och ser till att organen hamnar rätt. Vi är inte där än, men jobbar åt det hållet.

Första körningen är roligast

Anna-Karin Tornberg är nöjd med sina förutsättningar vad gäller finansiering, utrustning och kontakter. Hon samarbetar ofta med kollegor på New York University i USA, där hon tidigare varit anställd. Arbetsprocessen ser ungefär likadan ut oavsett projekt.

– I början jobbar jag mycket med papper och penna, för att härleda och förstå ekvationerna. Sedan utvecklar jag ett testprogram i ett enkelt programspråk. Mot slutet handlar arbetet om att programmera så att beräkningarna utförs fortare och med mindre datorkraft.

– Den roligaste fasen är när de första resultaten kommer ut och vi kan göra en animering och se dynamiken. Det är en kick när man får programmet att köra första gången!

Text: Eva Annell
Foto: Jyrki Siikanen