Das High-End-Computing der NASA spielt eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung vieler Agenturmissionen vom Konzept bis zur Anwendung in der realen Welt. Von der zunehmenden Genauigkeit globaler Wettervorhersagen für Prognoseeinrichtungen (wie NOAA) zur Warnung vor schweren Stürmen über Entwürfe für zukünftige Lufttaxis, um Menschen sicher durch städtische Gebiete zu fliegen, bis hin zu Fallschirm-Designtests für die Landung von Raumfahrzeugen auf dem Mond und anderen Planeten – unser Supercomputing Ressourcen und Experten treiben den wissenschaftlichen und technischen Fortschritt zum Wohle der Menschheit voran.
Diese und viele weitere Projekte werden in der Hybridausstellung der Agentur während der SC23, der International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis, zu sehen sein. Die diesjährige Konferenz findet vom 12. bis 17. November in Denver statt.
1. Simulation der Flugtaxi-Sicherheit in Bodennähe
Mit der Entwicklung von UAM-Fahrzeugen (Urban Air Mobility) könnten die Menschen in naher Zukunft Fahrten in Lufttaxis begrüßen. Forscher, die die aerodynamische Leistung mehrerer UAM-Designs untersuchen, konzentrieren sich in diesem Jahr auf Simulationen, um zu analysieren, wie sich diese Fahrzeuge in Bodennähe verhalten. Viele der UAM-Flugzeugkonzepte der Agentur verfügen wie Hubschrauber über Rotoren.
Supercomputer in der NASA Advanced Supercomputing (NAS)-Einrichtung im Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley führen komplexe, hochpräzise numerische Strömungssimulationen durch, die die Interaktion zwischen Rotoren, anderen Fahrzeugkomponenten und der Bodenoberfläche detailliert erfassen.
Mithilfe dieser Simulationen können Wissenschaftler die Fahrzeugaerodynamik und die vom Rotor verursachte Umströmung der Fahrzeuge besser verstehen, um potenziell gefährliche Bereiche mit starkem Wind und Böen zu erkennen. Simulationsdaten ermöglichen es dem Team, Änderungen im Verhalten von UAMs in Bodennähe vorherzusagen und Richtlinien für die sichere Bewegung von Besatzung und Passagieren in der Nähe der Fahrzeuge bereitzustellen.
2. Vorhersage der stärksten Stürme innerhalb eines globalen Computermodells
Der übliche Treibstoff für schwere Gewitter, Tornados und Hurrikane ist Konvektion – kräftige Auf- und Abbewegungen der Atmosphäre, die Wärme und Feuchtigkeit vertikal transportieren. Betriebliche Wettervorhersagezentren sagen in der Regel das Wetter im konvektiven Maßstab mithilfe regionaler Computermodelle mit begrenztem Gebiet voraus, da globale Modelle mit konvektionsauflösender Auflösung zu viel Rechenleistung erfordern.
Forscher am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, haben ihr globales Goddard Earth Observing System (GEOS)-Modell angepasst, um feinere Gitterauflösungen von 2 bis 4 Kilometern (etwa 1,25 bis 2,5 Meilen) über dem Festland der Vereinigten Staaten anzuwenden.
GEOS-Vorhersagen, die auf dem Discover-Supercomputer des NASA Center for Climate Simulation (NCCS) und dem Aitken-Supercomputer der NAS ausgeführt werden, erweitern die Vorhersagbarkeit der stärksten Stürme über zwei Tage hinaus und stellen gleichzeitig die lokalen Auswirkungen von starken Niederschlägen, Winden und Hitze besser dar. Laufende Simulationen verfolgten die extremen Wetterereignisse des Jahres 2023 genau, darunter die Hurrikane Idalia und Lee sowie den Tropensturm Ophelia.
3. Schutz von Raumkapseln beim Eintritt, Abstieg und der Landung des Planeten
NASA-Raumkapseln sind so konzipiert, dass sie den Eintritt in die Planetenatmosphäre mit Überschallgeschwindigkeit überstehen und ihre Nutzlast – oder ihre Besatzung – vor den extremen Temperaturen schützen, die beim Eintritt auftreten. Zusätzlich zur Hitze kann es bei der Raumsonde auch zu Instabilitäten kommen, da sie beim Sinkflug durch den Luftwiderstand abgebremst wird.
Um diese zusätzliche Gefahr zu quantifizieren und zu verstehen, verwendeten Forscher der NASA Ames die Supercomputer Pleiades und Electra der Agentur, um die Freiflugbedingungen von Kapseln während der gesamten Flugbahn des Planeteneintritts zu simulieren. Diese komplexen Simulationen werden verwendet, um die Flugdynamik der Kapsel zu analysieren und mögliche Risiken zu identifizieren, die die Instabilitäten im späteren Stadium der Flugbahn mit sich bringen können. Die daraus resultierenden Analysen helfen Ingenieuren bei der Entwicklung von Einstiegsfahrzeugen für die Planetenerkundung und tragen dazu bei, den Erfolg von NASA-Programmen wie Artemis und der bevorstehenden Dragonfly-Mission zum größten Saturnmond, Titan, sicherzustellen.
4. Transformation und Darstellung geowissenschaftlicher Daten
Seit der Gründung der Agentur im Jahr 1958 hat die NASA die Aufgabe, Informationen über ihre Aktivitäten und Ergebnisse weithin zu verbreiten. Eine neue öffentliche Kommunikationsinitiative der NASA ist das Earth Information Center (EIC), das Visualisierungen von Rohbeobachtungs- und Modelldaten auf einer Reihe von Dashboards präsentiert, die wie ein NASA-Missionskontrollzentrum für unseren Planeten angeordnet sind. Die EIC-Installation im NASA-Hauptquartier in Washington umfasst eine mehrteilige Hyperwall zur Anzeige großformatiger Animationen, umgeben von kleineren Portalen, die eine Reihe von „Lebenszeichen“ der Erde darstellen.
Zu den vielfältigen Datenquellen gehören Simulationen, die auf dem Supercomputer NCCS Discover durchgeführt wurden, sowie Beobachtungen von Satelliten und Bodeninstrumenten, die von der NASA und Partnern betrieben werden. Seit seiner Eröffnung Ende Juni 2023 hat das EIC eine Vielzahl von Besuchern angezogen, von Würdenträgern bis hin zu Grundschülern. Darüber hinaus helfen EIC-Informationen politischen Entscheidungsträgern, Wissenschaftlern und NASA-Datennutzern wie Landwirten, Geschäftsinhabern und Forschern.
5. Einsatz autonomer wissenschaftlicher Bordagenten zur Planetenerkundung
Forscher der Distributed Systems Missions-Initiative der NASA Goddard arbeiten daran, Weltraummissionen zu ermöglichen, die anpassungsfähig sind und mithilfe eines integrierten Software-„Agenten“ neu gesammelte wissenschaftliche Daten autonom interpretieren und darauf reagieren können, anstatt in jeder Phase auf neue Anweisungen von der Erde zu warten die Mission. Um dieses neue, autonome Missionsdesign zu testen, wählten sie Enceladus, einen eisigen Ozeanmond des Saturn und eines der vielversprechendsten Ziele für die Suche nach Leben in unserem Sonnensystem.
In einem simulierten Missionsszenario modellierten die Wissenschaftler verschiedene Flugbahnen und Umlaufbahnen von acht kleinen Raumfahrzeugen, um die erste stabile Konstellation um Enceladus zu erzeugen, die eine globale Abdeckung des Mondes für die Sammlung wissenschaftlicher Beobachtungen bieten würde. Das Team setzte seinen autonomen Bord-Wissenschaftsagenten ein, um simulierte Daten in „Echtzeit“ zu analysieren.
Mit seiner stetigen Wolke aus flüssigem Wasser unter der Oberfläche, die in den Weltraum strömt, ist der Saturnmond Enceladus ein wahrscheinlicher Kandidat für eine astrobiologische Studie zu einer zukünftigen NASA-Mission mit autonomen Raumfahrzeugen. In dieser Visualisierung dieser Mission verfolgt das Bordsystem (Wissenschaftsagent) alle acht Raumschiffe in der Konstellation (Fenster oben in der Mitte). Wenn die Bodenspur aufleuchtet (weiß angezeigt wird), zeigt die Animation im linken Fenster eine Nahaufnahme der Position dieses Raumfahrzeugs. Das Sichtfeld des Raumfahrzeugs wird durch einen grünen Kegel (der ein Raumvolumen darstellt) und ein entsprechendes grünes Rechteck (auf der Oberfläche) angezeigt. Diese Raumfahrzeugpositionen könnten geändert werden, wenn die Ergebnisse der wissenschaftlichen Daten dies ausdrücklich empfehlen, und diese Änderungen können sicher autonom durchgeführt werden. Bildnachweis: NASA/Pavel Galchenko, Scientific Visualization Studio der NASA
Der Agent verwendet mehrere Modelle des maschinellen Lernens, um die relativen Mengen verschiedener Verbindungen, die in den Eiswolken Europas entdeckt wurden – Indikatoren für die Möglichkeit von Leben – zu verarbeiten und zu interpretieren -Programmierte Missionsziele.