El laboratorio nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EEUU (DOE) está llevando a cabo pruebas para simular la retropropulsión para aterrizar seres humanos en la superficie marciana. Para ello, está utilizando la supercomputadora más rápida del mundo, Summit.
El tipo de vehículo que llevará a las personas al Planeta Rojo se perfila como ” una casa de dos pisos que está tratando de aterrizar en otro planeta. El escudo térmico en la parte delantera del vehículo tiene poco más de 16 metros de diámetro y el vehículo mismo, durante el aterrizaje, pesa decenas de toneladas métricas. Es enorme”, asegura Ashley Korzun, ingeniera de investigación aeroespacial en el Centro de Investigación Langley de la Nasa.
El vehículo para la exploración humana pesará considerablemente más que los rovers familiares del tamaño de un automóvil como es el Curiosity, que se han desplegado en la superficie marciana en paracaídas. Sin embargo, en esta ocasión “no se pueden usar paracaídas para aterrizar cargas útiles muy grandes en la superficie de Marte”, explica Korzun. “La física simplemente se rompe. Tienes que hacer otra cosa”.
La Nasa espera que los humanos viajen a Marte a mediados o finales del año 2030. Por ello, los ingenieros llevan algún tiempo diseñando soluciones para este problema. Ahora, parece que han encontrado una herramienta prometedora en retropropulsión o desaceleración accionada por motor.
De este modo, Korun asegura que “en lugar de empujarlo hacia adelante, los motores de retropropulsión lo desaceleran, como los frenos”. Por su parte, Eric Nielsen, director del proyecto e investigador científico de la Nasa, asegura que “podemos demostrar un rendimiento bastante revolucionario en Summit en relación con lo que estábamos acostumbrados con un enfoque informático convencional”.
La supercomputadora IBM AC922 Summit es administrada por el Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicado en ORNL.
El equipo utiliza su código de dinámica de fluidos computacional (CFD) llamado FUN3D para modelar el descenso marciano del vehículo. Las aplicaciones CFD utilizan grandes sistemas de ecuaciones para simular las interacciones a pequeña escala de los fluidos (incluidos los gases) durante el flujo y la turbulencia, en este caso, para capturar los efectos aerodinámicos creados por el vehículo de aterrizaje y la atmósfera.
“FUN3D y la capacidad de computación en sí han cambiado por completo el juego, permitiéndonos avanzar con el desarrollo tecnológico para la retropropulsión, que tiene aplicaciones en la Tierra, la Luna y Marte”, comenta Korzun.
La Nasa ya ha desplegado con éxito ocho aterrizadores en Marte, incluidos laboratorios de ciencia móviles equipados con cámaras, sensores y dispositivos de comunicaciones y los investigadores están familiarizados con los desafíos de otro planeta.
La atmósfera marciana es aproximadamente 100 veces más delgada (menos densa) que la de la Tierra, lo que resulta en un rápido descenso de la órbita, alrededor de seis a siete minutos en lugar del tiempo de reentrada de 35 a 40 minutos para la Tierra.
“No podemos igualar toda la física relevante en las pruebas en tierra o en vuelo en la Tierra, por lo que dependemos mucho de la capacidad computacional”, comenta Korzun. “Esta es realmente la primera oportunidad, en este nivel de fidelidad y resolución, de que hemos podido ver qué sucede con el vehículo a medida que disminuye la velocidad con los motores encendidos”.
Durante la retropropulsión, el vehículo es sensible a grandes variaciones en las fuerzas aerodinámicas, que pueden afectar el rendimiento del motor y la capacidad de la tripulación para controlar y aterrizar el vehículo en una ubicación específica.
El equipo necesita una poderosa supercomputadora como la Summit de 200 petaflop para simular todo el vehículo mientras navega por una variedad de condiciones atmosféricas y del motor.
Para predecir lo que sucederá en la atmósfera marciana y cómo los motores deben diseñarse y controlarse para el éxito y la seguridad de la tripulación, los investigadores deben investigar flujos inestables y turbulentos en escalas de longitud y tiempo, de centímetros a kilómetros y de fracciones de segundo a minutos. Para replicar con precisión estas condiciones lejanas, el equipo debe modelar las grandes dimensiones del módulo de aterrizaje y sus motores, las condiciones atmosféricas locales y las condiciones de los motores a lo largo de la trayectoria de descenso.
En Summit, el equipo está modelando el módulo de aterrizaje en múltiples puntos en su descenso de seis a siete minutos. Para caracterizar los comportamientos de flujo en velocidades que van desde supersónicas a subsónicas, los investigadores ejecutan conjuntos (conjuntos de simulaciones individuales) para resolver la dinámica de fluidos a una resolución de hasta 10.000 millones de elementos con hasta 200 terabytes de información almacenada por ejecución.
A medida que los miembros del equipo continúan recolectando nuevos datos de la Summit, están pensando en los próximos pasos para diseñar un vehículo de exploración humana para Marte. “Aunque volvamos a la Luna, el objetivo a largo plazo de la Nasa es la exploración humana de la superficie de Marte. Estos resultados son pruebas informativas, como pruebas de túnel de viento, que haremos en los próximos años”, dijo Korzun. “Así que estos datos serán útiles durante mucho tiempo”.
