jueves, 11 de agosto de 2011

El arte de la simulación (científica)

Con este título podría parecer que vamos a analizar la afición de algunos jugadores de fútbol a dejarse caer en el campo...Pero no, eso lo dejo para otra ocasión

Esta vez hablaremos de una herramienta esencial para muchos científicos: la simulación por ordenador. Gracias a la enorme capacidad de cálculo de los ordenadores actuales, las simulaciones científicas permiten reproducir una realidad pasada o futura, o bien generar datos que los experimentos de laboratorio no pueden obtener. ¿Se puede contemplar la evolución de una galaxia joven en el Universo temprano? No, ya es un poco tarde para hacerlo. Pero sí se puede simular. ¿Podríamos seguir con detalle el flujo de las células sanguíneas y observar cómo se forma un coágulo en una arteria? No con la tecnología actual, aunque para eso está la simulación. ¿Qué pasará cuando se produzca un terrible terremoto en California? Como no conviene esperar a que ocurra, mejor simularlo antes.

Las simulaciones tienen además otra gran ventaja. Hoy en día, cualquier investigación genera una enorme cantidad de datos que son muy difíciles de manejar. Las simulaciones permiten visualizar esa montaña de datos en forma de vistosos gráficos, en los que el ojo humano puede buscar patrones que de otra manera sería mucho más complicado encontrar, incluso para un ordenador.

Hacer una simulación por ordenador que sea útil no es un trabajo sencillo. Hay que tener las herramientas apropiadas para hacerlo (software de animación en 3-D) y luego saber manejarlas (lenguaje de programación). Como la labor de un investigador es ya por sí sola bastante compleja, muchos acuden a científicos especializados en este tipo de procesos. También hay que tener en cuenta la gran cantidad de recursos que puede consumir una simulación. Para conseguir datos útiles en un tiempo prudencial, pueden ser necesarios millones de horas de procesamiento (media hora de un ordenador personal de doble núcleo a pleno rendimiento equivale a una hora de procesamiento).

Para premiar las simulaciones científicas más destacadas del 2010, se convocó una competición llamada la “Noche de la Visualización”, dentro del programa anual SciDAC (Scientific Discovery Through Advance Computing), del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Siendo una competición organizada en Estados Unidos por un departamento federal de ese país, ya te puedes imaginar de dónde eran mayoritariamente los participantes. (Evidentemente, también hay simulación científica fuera de Estados Unidos, pero habrá que esperar a otra entrada para comprobarlo.)

De los treinta y dos participantes, dos simulaciones merecieron un premio del comité científico, y otras ocho recibieron el reconocimiento del público por su trabajo. Revisemos las simulaciones galardonadas a continuación:

PREMIOS DEL JURADO

Categoría de estética visual

MAGNETISMO EN UN NÚCLEO ACTIVO DE GALAXIA


Es muy probable que todas las galaxias tenga en su centro un agujero negro supermasivo –cientos de millones de veces más grande que el Sol-. Algunos, como el agujero negro de la Vía Láctea, son relativamente tranquilos. Pero otros engullen materia vorazmente de un enorme disco giratorio de gas y polvo. Los astrónomos llaman a dichos objetos núcleos activos de galaxias (AGN, de sus siglas en inglés), por los poderosos chorros de radiación que emiten, y que pueden llegar a ensombrecer al resto de la galaxia.

Además de radiación, los núcleos activos de galaxias también aceleran partículas cargadas que generan un campo magnético. Aunque este magnetismo es extremadamente débil, esta simulación sugiere que juegan un papel importante en la configuración del universo visible.

Este modelo muestra  las líneas de campo magnético de un AGN alrededor de seis mil millones de años después del Big Bang, situado en un cubo cuyo tamaño representa el universo observable.

Simulación: P.M. Sutter, P.M. Ricker, H.-Y. Yang, G. Foreman, D. Pugmire /ORNL

Categoría de Presentación de la Información

TURBINAS CAPTURADORAS DE CARBONO


Los modelos por ordenador pueden ayudar a los investigadores a emular sus resultados experimentales y cuantificar las fuerzas en juego —y luego llevarlas a los extremos.

Un buen ejemplo es esta simulación de una tecnología impulsada por una turbina, diseñada para capturar el dióxido de carbono generado por las industrias de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural).

El proceso se basa en aplicar velocidades supersónicas a la compresión de choque del dióxido de carbono para conseguir que sea más fácil de almacenar. La simulación de arriba se complementa a la perfección con los experimentos que se llevan a cabo en la realidad en túneles aerodinámicos, lo que permite que los ingenieros mejoren rápidamente los prototipos.

Esta simulación forma parte de otra más grande que necesitó aproximadamente 2 millones de horas de procesador.

Simulación: M. Matheson, A. Grosvenor, A.A. Zheltoyodoy/Ramgen Power Systems/Khristianovich Insitute/ORNL

PREMIOS OTORGADOS POR EL PÚBLICO

FLUJO DE SANGRE



Para explorar las interacciones microscópicas entre células sanas de la sangre (rojo) y células enfermas (azul), los investigadores realizaron esta simulación donde aplicaron conceptos de física de fluidos y dinámica de partículas.

En la primera parte del vídeo, células de la sangre y partículas de plasma (pequeñas esferas) circulan por una arteria. Los cortes de diversos colores a través de la arteria revelan la velocidad de los componentes sanguíneos.

Una segunda simulación muestra cómo las plaquetas rellenan un aneurisma potencialmente letal, es decir, una dilatación localizada en un vaso sanguíneo debido a un debilitamiento de la pared vascular.

Este tipo de simulaciones del flujo de la sangre arterial pueden arrojar luz sobre la adhesión de células a las paredes de la arteria y la formación de coágulos.

Simulation: L. Grinberg, G. Karniadakis, D. Fedosov, B. Caswell, J.A. Insley, M.E. Papka/Brown University/ANL


TERREMOTO DE MAGNITUD 8


A pesar de que los sismólogos están muy atentos a las fallas de la corteza terrestre, las rupturas masivas son muy poco frecuentes como para entenderse bien.

Para comprobar el comportamiento de grandes terremotos a lo largo de la falla de San Andrés, el científico Amit Chourasia y sus colegas, del Centro de Supercomputación de San Diego, han creado un modelo de terremoto de magnitud 8 en el “peor escenario posible”.

La simulación, la más completa que se ha hecho hasta ahora de este tipo, ha llevado la friolera de 5,3 millones de horas de procesamiento para computarla y condensa unos cuatro minutos de tiempo después de una fractura de la falla en Parkfield, a medio camino entre Los Ángeles y San Francisco. La mayor parte de la energía liberada se transmite hacia el sur, pero, a diferencia de anteriores simulaciones de terremotos, ésta muestra el movimiento esporádico de zonas terrestres a una altura exagerada. También llama la atención que las ondas todavía se estén agitando en Los Ángeles (debido, al parecer, a reverberaciones en el subsuelo de la zona), mientras la ruptura sigue su curso y el frente de ondas se acerca a San Diego.

La simulación revela un frente cónico de energía que recuerda al cono de Mach, un fenómeno producido por los aviones cuando superan la velocidad del sonido. Esto no se había visto en anteriores simulaciones y no se sabe si ocurrirá en la vida real. Pero por lo menos ya tienen una buena idea de su aspecto en caso de que existan.

Simulación: A. Chourasia, Y. Cui, K. Olsen, T. Jordan, K. Lee, J. Zhou, P. Small, D. Roten, G. Ely, D. Panda, J. Levesque, S. Day, P. Maechling /SDSC /SDSU /USC/OSU/Cray, Inc./ORNL/NSF

MAGNETISMO ESTELAR


Los astrofísicos saben que el magnetismo del Sol produce la aparición de manchas solares, esto es, erupciones en la fotosfera solar que pueden lanzar enormes chorros de partículas energéticas al espacio.

Pero el proceso por el cual se forman estas manchas no está claro todavía. Las últimas predicciones sobre el ciclo solar más reciente han fallado: en lugar de una actividad elevada, ha sido bastante tranquilo de momento.

Brown y otros están modelando los campos magnéticos en estrellas como el Sol para entender cómo funciona. En particular, quieren saber cómo el magnetismo estelar responde y dirige el flujo de gases calientes cerca de la superficie de una estrella.

Para su sorpresa, los científicos han descubierto perturbaciones en la corona que pueden preceder a la aparición de una mancha solar. Por desgracia, se encuentran justo en el límite de la resolución de su modelo, y seguramente haya que hacer otra simulación mucho más detallada para observar estas estructuras.

La animación de arriba comprime aproximadamente cinco años de fluctuaciones magnéticas. Es una parte de una simulación de 75 años de duración que ocupó entre 4 y 8 millones de horas de procesamiento para computarla.

Simulation: C. Brownlee, B. Brown, J. Clyne, C. Touati/NSF/NCAR

MAGNETISMO DE LA ONDA DE CHOQUE DE UNA SUPERNOVA


Las estrellas y los núcleos galácticos activos no son los únicos objetos que generan magnetismo difícil de observar.

Algunas estrellas masivas mueren como violentas supernovas, y los astrofísicos piensan que la onda de choque de la explosión puede crear campos magnéticos, los cuales pueden modelar el aspecto del remanente millones de años después de la gigantesca explosión de la estrella.

Para estimar qué aspecto tendría este magnetismo y cómo influiría en el flujo de material que acompaña a la onda de choque, el científico David Pugmire del Laboratorio Nacional Oak Ridge y un equipo de astrofísicos han creado esta simulación.

Aunque no tan compleja como otras simulaciones galardonadas, su simplicidad es reveladora. La simulación congela el tiempo justo después de la explosión de una supernova y muestra cómo las líneas de campo magnético apuntan a una estrella de neutrones central, que es lo que queda de muchas supernovas.

Simulación: E. Endeve, C. Cardall, R. Budiardja, A. Mezzacappa, D. Pugmire/ORNL.

ACELERADORES DE PLASMA


Los aceleradores de partículas hacen chocar los componentes de la materia a velocidades cercanas a las de la luz, en un intento de recrear lo que ocurrió poco después del Big Bang. El problema es que este tipo de máquinas requieren mucho espacio y dinero para construirse. El LHC, por ejemplo, se extiende unos 27 kilómetros y ha costado cerca de 10.000 millones de euros.

Los científicos ya están buscando nuevas alternativas a la tecnología convencional para reducir su tamaño y coste. Una de ellas tiene como elementos principales un láser y plasma. Si se dirige un haz de láser hacia un plasma, se genera una enorme perturbación que se propaga por el plasma en forma de onda. El potente campo eléctrico que se crea acelerará a cualquier partícula cargada que se encuentre en su camino a casi la velocidad de la luz, todo ello en apenas un metro de espacio.

Esta tecnología todavía está en desarrollo. Para que llegue a desbancar a los aceleradores tradicionales es necesario que sea totalmente estable, en cuanto a la energía y carga de cada emisión. No es el caso ahora mismo. Precisamente este tipo de simulaciones ayudan a mejorar el diseño para conseguirlo.

Simulación: E. Cormier-Michel, D.L. Bruhwiler, M. Durant, D. Kindig, V.H. Ranjbar, B.M. Cowan, J.R. Cary C.G.R. Geddes, M. Chen, O. Ruebel / LBNL /Tech-X Corp.

RADIACIÓN DE GALAXIAS JÓVENES



Los investigadores sospechan que el universo se expandió desde un punto extremadamente caliente y denso hasta el universo actual durante un período de unos trece mil millones de años. Saber lo que pasó exactamente entre medias es difícil de decir, pero los modelos por ordenador pueden hacer predicciones útiles.

Un enigma que los cosmólogos tratan de resolver con simulaciones es hasta qué punto las características de las estrellas jóvenes han configurado el universo actual; en concreto, su gravedad, su dinámica interna y su radiación.

Las simulaciones de arriba son instantáneas del Universo tal y como pudo haber sido hace mil novecientos millones de años. Los bordes de los cubos miden cada uno aproximadamente 36 millones de años-luz de ancho, y su interior contiene cúmulos de galaxias.

La simulación de arriba a la izquierda modela la densidad y las interacciones gravitatorias de la materia visible, y la de arriba a la derecha modela la hidrodinámica de la materia oscura (materia de origen desconocido que supone el 83 por ciento de toda la materia en el universo). El cubo de abajo a la izquierda simula la salida de luz de estrellas primordiales sin metal, mientras que el cubo de abajo a la derecha muestra cómo esa luz podría ser absorbida y emitida de nuevo por el gas circundante y el polvo.

Todas las simulaciones ocuparon aproximadamente 2 millones de horas de procesamiento para generarse. Son tan intrincadas que, meses después de su creación, los físicos todavía rebuscan entre los datos para ver lo que hay.

Simulación: R. Harkness, D.R. Reynolds, M.L. Normal, R. Wagner, M. Hereld, J.A. Insley, E.C. Olson, M.E. Papka, V. Vishwanath/SDSC/Southern Methodist Univ./Univ. of Chicago/ANL

SISTEMA DE PROTECCIÓN PARA AMENAZAS DE ALTURA


Cuando las tropas se establecen en áreas de conflicto, se enfrentan a la amenaza de disparos de mortero. Un simple tejado no puede detener este tipo de ataques.

Para eso está el “sistema de cobertura por lo alto” (traducción patatera de “overhead coverage system”) del ejército de Estados Unidos, una estructura que podría montarse en cuestión de horas y que cubriría blancos fáciles y desprotegidos como puede ser un comedor en el frente.

La simulación de arriba muestra cómo la onda explosiva podría dirigirse lejos de las tropas con un diseño de dos capas. Una capa externa hecha de un metal ondulado hace detonar el explosivo mientras que una capa interior protege la estructura y dirige la onda expansiva hacia los lados abiertos del tejado. Hay que decir que el diseño de la capa interior es confidencial: no se sabe de qué está hecha.

(NOTA: Que esto merezca una mención especial en un concurso de simulaciones científicas sólo pasa en Estados Unidos.)

Simulación: C. Price, J.A. Sherburn, D. Nelson, J. McCleave, M. Stephens, R. Hand, K. George, and Mi. Valenciano/DoD

TURBULENCIAS EN GRANJAS EÓLICAS


Por alguna razón, muchas granjas eólicas no son tan eficientes como sus ingenieros esperaban. Para averiguar lo que falla en la conversión de energía eólica a energía eléctrica, los investigadores realizaron esta simulación.

"Las turbinas tienen estelas, y tratamos de entender como estas estelas afectan a las turbinas río abajo," dijo el informático Kenny Gruchalla del Laboratorio de Energía Renovable Nacional.

Los modelos, que se centran en los remolinos de aire y agua alrededor de las láminas de la turbina que gira, pueden dirigir la colocación de futuras series y maximizar su salida.

Simulación: K. Gruchalla, M.J. Churchfield, P.J. Moriarty, S. Lee, Y. Li, J.K. Lundquist, J. Michalakes, A. Purkayasthra, M.A. Sprague/NREL


FUENTE: Wired

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