11 de abril de 2024: es posible que haya volado un simulador de vuelo en un juego de computadora o en un museo de ciencias. Aterrizar sin estrellarse es siempre la parte más difícil. Pero eso no es nada comparado con el desafío que enfrentan los ingenieros para desarrollar simulaciones de vuelo de los vehículos muy grandes necesarios para que los humanos exploren la superficie de Marte.
El Planeta Rojo plantea innumerables desafíos para los astronautas, uno de los cuales es llegar allí. Ahí es donde entran las supercomputadoras de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Investigadores de la Instalación de Computación de Liderazgo Oak Ridge (OLCF) del Departamento de Energía. Trabajando con ingenieros y científicos de la NASA para simular la desaceleración de una nave espacial masiva a medida que avanza hacia la superficie de Marte..
El aterrizaje de naves espaciales en Marte no es nada nuevo para la NASA. La agencia realizó sus primeras misiones al planeta en 1976 con el Proyecto Viking. Desde entonces, la NASA ha realizado con éxito ocho aterrizajes más en Marte.
Lo que hace que este objetivo sea diferente es el hecho de que el aterrizaje de las enormes naves espaciales necesarias para la exploración humana es mucho más difícil que el de las misiones robóticas. Los rovers robóticos utilizan paracaídas para reducir su velocidad a través de la atmósfera marciana. Pero las naves espaciales que transporten seres humanos serían entre 20 y 50 veces más pesadas. Un vehículo de este tamaño simplemente no puede utilizar paracaídas. En cambio, la NASA necesitará depender de la retropropulsión. Esta tecnología utiliza cohetes que disparan hacia adelante para frenar el vehículo a medida que se acerca a la superficie.
El uso del retroceso conlleva una serie de desafíos. Los gases de escape de los motores de cohetes de alta energía interactúan tanto con el rover como con la atmósfera marciana. Estas dinámicas cambian la forma en que el equipo necesita dirigir y controlar el coche. Además, los ingenieros no pueden replicar completamente cómo se llevaría a cabo una misión a Marte en la Tierra. Si bien pueden probar naves espaciales en túneles de viento y utilizar otros instrumentos, estos instrumentos no son un sustituto perfecto ni un análogo directo del entorno marciano.
Para llenar los vacíos, la NASA recurrió a las supercomputadoras del OLCF y a sus expertos informáticos. En teoría, los programas que se ejecutan en supercomputadoras podrían simular completamente el entorno marciano y muchas de las complejas físicas asociadas con el uso de la retropropulsión.
El equipo del proyecto se basó en FUN3D, un conjunto de herramientas de software de larga data que modela cómo se mueven los fluidos, incluido el aire. Los ingenieros crearon la primera versión del código a finales de la década de 1980 y desde entonces han realizado mejoras significativas continuamente. Ha sido utilizado por agencias y empresas que trabajan en tecnología espacial y de aviación para abordar desafíos importantes.
El esfuerzo actual en Marte comenzó en 2019 en Summit, la computadora más rápida de la OLCF en ese momento. Las simulaciones iniciales suponen condiciones constantes. Simularon sólo un punto a lo largo de la trayectoria del coche. Estas primeras versiones permitieron a los científicos evaluar los efectos de las velocidades de vuelo, la configuración del motor y más. Otros avances han permitido a los ingenieros explorar los efectos reales del gas. Podría ser responsable del oxígeno líquido y los motores de los cohetes de metano y de la atmósfera cargada de dióxido de carbono de Marte. Incluso estas primeras simulaciones generalmente arrojaban conjuntos de datos del tamaño de un petabyte. Se necesitarían alrededor de 1.000 potentes ordenadores domésticos para almacenar un petabyte. Pero ni siquiera éstas eran simulaciones completas, ya que todavía no era posible.
El siguiente paso fue integrar un software completamente nuevo en la simulación: el software de optimización de trayectoria simulada (POST2). La NASA desarrolló POST2 para analizar la mecánica de vuelo para una amplia gama de aplicaciones. Si bien las simulaciones iniciales se basaron en condiciones estáticas, POST2 permitió a los científicos «volar» dinámicamente el vehículo en la simulación. El equipo involucró a investigadores del Laboratorio de Diseño de Sistemas Aeroespaciales de Georgia Tech. Anteriormente han desarrollado estrategias únicas para acoplar POST2 con simulaciones aerodinámicas de alta resolución.
La integración de POST2 también requiere que los ingenieros cambien el flujo de trabajo del proyecto. El uso del software se limitó a los sistemas informáticos de la NASA por razones de seguridad. Como tal, el equipo necesitaba garantizar que los sistemas de la NASA pudieran comunicarse sin problemas con la Cumbre en el OLCF. Resolver problemas con firewalls, cortes de red y otro software requirió un año completo de planificación por parte de los equipos de administración de sistemas y ciberseguridad en ambas instalaciones.
El último avance incluye trasladar toda la simulación a la computadora más nueva y poderosa de OLCF: borde. Frontier es la primera computadora a exaescala del mundo y es mucho más poderosa que las supercomputadoras anteriores. A través de una serie de operaciones coordinadas durante dos semanas, el equipo realizó la simulación de vuelo más detallada hasta la fecha. Fue un descenso cerrado de 35 segundos desde una altitud de 5 millas hasta aproximadamente 0,6 millas. La simulación ralentizó el coche de 1.200 mph a aproximadamente 450 mph. POST2 pudo controlar el vehículo de forma autónoma y estable utilizando sus ocho motores principales y cuatro módulos del sistema de control de reacción.
Con el tremendo poder proporcionado por Frontier en OLCF, los ingenieros de la NASA están avanzando para abordar nuevas fronteras en los viajes espaciales.
fuente: Shannon Brecher Shea, Oficina de Ciencias del Departamento de Energía
«Fanático del café. Amable aficionado a los zombis. Devoto practicante de la cultura pop. Malvado defensor de los viajes. Organizador típico».