Primera simulación del descenso de una nave tripulada en Marte

Summit, la supercomputadora más rápida del mundo, ubicada en el ORNL (Oak Ridge National Laboratory) está siendo utilizada para simular la retropropulsión para aterrizar seres humanos en Marte.

El tipo de vehículo que llevará a las personas al Planeta Rojo se perfila para ser "como una casa de dos pisos que está intentando aterrizar en otro planeta. El escudo térmico en la parte delantera del vehículo tendrá poco más de 16 metros de diámetro, y el vehículo en sí, durante el aterrizaje, pesa decenas de toneladas métricas. Es enorme", explica Ashley Korzun, ingeniera de investigación aeroespacial en el Centro de Investigación Langley de la NASA.

"No se pueden usar paracaídas para aterrizar cargas muy grandes en la superficie de Marte", dijo Korzun. "La física simplemente se rompe. Tienes que hacer otra cosa".

La NASA espera que los humanos viajen a Marte a mediados o finales de la década de 2030, por lo que los ingenieros llevan tiempo en la mesa de diseño. Ahora, tienen una solución prometedora en retropropulsión o desaceleración accionada por motor.

"En lugar de empujarlo hacia adelante, los motores de retropropulsión lo desaceleran, como los frenos", dijo Korzun. "Podemos demostrar un rendimiento bastante revolucionario en Summit en relación con lo que estábamos acostumbrados con un enfoque de computación convencional", dijo Eric Nielsen, investigador senior en NASA Langley y que lidera los ensayos.

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", dijo Korzun.

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, aproximadamente 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", dijo Korzun. "Esta es realmente la primera oportunidad, en este nivel de fidelidad y resolución, de que hemos podido ver lo que le sucede al 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 supercomputadora poderosa 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 deben diseñarse y controlarse los motores 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 mil millones de elementos con hasta 200 terabytes de información almacenada por ejecución.