ناسا با ابررایانه‌ها از مأموریت آرتمیس تا پیش‌بینی آب‌وهوا و کاوش ستاره‌های نوترونی پیشرفت می‌کند

در ناسا، پردازش‌های سطح بالا و پیشرفته برای تعداد زیادی از مأموریت‌های آژانس ضروری است. بهره‌گیری از ابررایانه‌ها به ما کمک می‌کند تا درک خود از جهان -از زمین تا دور‌ترین نقاط کیهان- را گسترش دهیم. ابررایانه‌ها پروژه‌های متنوعی را در حوزه‌های گوناگون تحقیقاتی ممکن می‌سازند؛ از جمله کشف فعالیت‌های خورشیدی که بر فناوری‌های فضایی و زندگی روی زمین تأثیر می‌گذارند، تدوین مدل‌های مبتنی بر هوش مصنوعی برای علوم نوین آب‌وهوا و اقلیم، و پشتیبانی از طراحی مجدد سکوی پرتابی که قرار است فضانوردان را با مأموریت آرتمیس ۲ به فضا بفرستد.

این پروژه‌ها تنها نمونه‌هایی از پروژه‌های فرا‌وانی هستند که در نمایشگاه ناسا در کنفرانس بین‌المللی پردازش‌های سطح بالا، شبکه‌سازی، ذخیره‌سازی و تحلیل یا به نمایش گذاشته شدند. دکتر نیکولا فاکس، معاون مدیر بخش مأموریت‌های علمی ناسا، در این نمایشگاه سخنرانی مهمی با عنوان چشم‌انداز ناسا برای علوم و اکتشافات پرتأثیر ارائه کرد. او در این سخنرانی راه‌حل‌هایی را که ناسا از ابررایانه‌ها برای کاوش کیهان به نفع همگان بهره می‌برد، تشریح نمود.

همانند‌سازی محیط پرتاب مأموریت آرتمیس

پژوهشگران مرکز ایمز ناسا برای اطمینان از ایمنی پرتاب فضانوردان در پرواز آزمایشی آرتمیس ۲، اولین مأموریت سرنشین‌دار موشک سیستم پرتاب فضایی (SLS) و فضاپیما اوریون، تلاش می‌کنند. این مأموریت برای سال ۲۰۲۵ برنامه‌ریزی شده است.

آن‌ها با بهره‌گیری از نرم‌افزار‌های و، تعامل‌های پیچیده بین خروجی موتور موشک و سیستم مهار صدا مبتنی بر آب را که در پرتاب آرتمیس ۱ به کار رفته بود، همانند‌سازی کردند. این پرتاب باعث آسیب به سکوی پرتاب متحرک شد که موشک را پیش از پرتاب پشتیبانی می‌کرد.

مقایسه همانند‌سازی‌ها با و بدون فعال‌سازی سیستم‌های مهار صدا نشان داد که این سیستم به‌طور مؤثری امواج شوک را کاهش می‌دهد اما گاز‌های خروجی می‌توانند مسیر آب را منحرف کنند و شوک را به می‌زان قابل‌توجه‌ی افزایش دهند. این همانند‌سازی‌ها که روی ابررایانه آیتکن در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا اجرا شدند، نزدیک به ۴۰۰ ترابایت داده تولید کردند. این داده‌ها به مهندسان هوافضا در مرکز فضایی کندی ناسا در فلوریدا ارائه شد، جایی که آن‌ها در حال بازطراحی منحرف‌کننده شعله و پرتابگر متحرک برای پرتاب مأموریت آرتمیس ۲ هستند.

بهینه‌سازی طراحی هواپیما با هدف بهره‌وری در مصرف سوخت

برای پشتیبانی از کارایی و پایداری بیش‌تر پرواز‌های تجاری، پژوهشگران و مهندسان مرکز پژوهشی ایمز ناسا در کالیفرنیا در حال بهینه‌سازی طراحی هواپیما‌ها هستند تا هوا را با اصلاح شکل بال‌ها، بدنه‌ها و سایر اجزای ساختاری هواپیما کاهش دهند. این تغییرات می‌تواند انرژی موردنیاز برای پرواز، مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها را کاهش دهد. این کار عملکرد کلی هواپیما را بهبود می‌بخشد و به کاهش می‌زان صدا در محوطه فرودگاه‌ها کمک می‌کند.

با بهره‌گیری از نرم‌افزار‌های محاسباتی مدل‌سازی پرتاب، صعود و آیرودینامیک که در ناسا توسعه یافته است، پژوهشگران از توان ابررایانه‌های ناسا استفاده می‌کنند تا صدها همانند‌سازی را برای بررسی انواع امکانات طراحی، چه برای هواپیما‌های موجود چه مدل‌های مفهومی آینده، اجرا کنند. کار آن‌ها نشان داده است که می‌توان در طراحی جاری هواپیمای تجاری، مقاومت هوا را تا ۴ درصد کاهش داد که به معنی صرفه‌جویی قابل‌توجه در مصرف سوخت است.

بهره‌گیری از هوش مصنوعی در پیش‌بینی آب‌وهوا

<figcaption class="wp-element-caption"قیاس مسیر طوفان آیدا: داده‌های MERRA-۲ (سمت چپ) در برابر پیش‌بینی مدل Prithvi WxC ناسا و IBM (سمت راست)، هر دو از ساعت ۰۰ به زمان جهانی در ۲۷ آگوست ۲۰۲۱ اغاز شده‌اند.

مدل‌های سنتی آب‌وهوا با حل معادلات ریاضی برای می‌لیون‌ها ناحیه کوچک (باکس‌های شبکه‌ای) در جو و اقیانوس‌های زمین نتایج جهانی و منطقه‌ای تولید می‌کنند. ناسا و شرکای آن اکنون رویکرد‌های جدید‌تری را بررسی می‌کنند که از تکنیک‌های هوش مصنوعی برای آموزش مدل پایه بهره می‌برند.

مدل‌های پایه با بهره‌گیری از مجموعه داده‌های بزرگ توسعه داده می‌شوند تا محققان بتوانند نتایج را برای کاربرد‌های مختلف -همانند پیش‌بینی الگو‌های آب‌وهوایی یا تغییرات اقلیمی- به‌صورت جداگانه و با حداقل آموزش اضافی تنظیم کنند.

ناسا با همکاری IBM مدلی پایه‌ای با نام آب‌وهوا – اقلیم پریتوی را به‌صورت متن‌باز و در دسترس عموم توسعه داده است. این مدل با بهره‌گیری از ۱۶۰ متغیر از پایگاه داده ناسا، روی جدید‌ترین پردازشگر‌های گرافیکی انویدیا در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا پیش‌آموزش دیده است.

پریتوی با ۲ می‌لیارد و ۳۰۰ می‌لیون پارام‌تر، می‌تواند پدیده‌های متنوع آب‌وهوایی و اقلیمی -همانند مسیر طوفان‌های گرمسیری- را با وضوح بالا مدل‌سازی کند. کاربرد‌های آن شامل پیش‌بینی موثر آب‌وهوا، پیش‌بینی اقلیم، و نمایش فرا‌یند‌های فیزیکی همانند امواج گرانشی است.

همانند‌سازی‌ها جهان شگفت‌انگیز ستاره‌های نوترونی را آشکار می‌کنند

<figcaption class="wp-element-caption"همانند‌سازی سه‌بعدی مغناطیس‌ سپهر تپ‌اختر با منفعت گیری از ابررایانه Aitken ناسا و داده‌های تلسکوپ فضایی فرمی. فلش قرمز میدان مغناطیسی، خطوط آبی ذرات پرانرژی (پرتوهای گامای زرد) و خطوط سبز ذرات نوری را نشان خواهند داد که توسط فرمی شناسایی خواهد شد.

برای بررسی شرایط شگفت‌انگیز درون ستاره‌های نوترونی، پژوهشگران مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا از ترکیبی از مشاهده، همانند‌سازی و هوش مصنوعی برای کشف اسرار این اجرام آسمانی بسیار استفاده می‌کنند. ستاره‌های نوترونی هسته مرده ستارگانی هستند که منفجر شده‌اند و از متراکم‌ترین اجرای جهان به حساب می‌آیند.

همانند‌سازی‌های پیشرفته که روی ابررایانه‌های مرکز محاسبات پیشرفته ناسا اجرا می‌شوند، به توضیح پدیده‌هایی کمک می‌کنند که از طریق تلسکوپ فضایی پرتو گاما فرمی و رصدخانه NICER مشاهده شده‌اند.

با بهره‌گیری از ابزار‌های هوش مصنوعی همانند شبکه‌های عصبی عمیق، دانشمندان می‌توانند جرم، شعاع، ساختار می‌دان مغناطیسی و سایر ویژگی‌های ستاره‌ها را استنتاج کنند. نتایج بی‌سابقه این همانند‌سازی‌ها نه تنها تحقیقات مشابه در مورد سیاه‌چاله‌ها و سایر محیط‌های فضایی را هدایت خواهد کرد، بلکه نقشی بنیادین در شکل‌دهی مأموریت‌های علمی و فضایی آینده دارد.

مدل‌سازی فعالیت‌های خورشید با ابررایانه‌ها

<figcaption class="wp-element-caption"همانند‌سازی سه‌بعدی جریان‌های لایه‌های بالایی خورشید: رنگ قرمز نشان‌دهنده نیرومندترین حرکات است. این جریان‌های آشفته میدان‌های مغناطیسی، امواج صوتی، موج‌های شوک و فوران‌ها را تشکیل می‌کنند.

فعالیت خورشید شامل رویداد‌هایی همانند شاره‌های خورشیدی و پرتاب جرم از تاج خورشیدی، محیط فضایی را تحت تأثیر قرار داده و باعث اختلال در آب‌وهوای فضایی می‌شود که می‌تواند بر قطعات الک‌ترونیکی ماهواره‌ها، ارتباطات رادیویی، سیگنال‌های GPS و شبکه‌های برق روی زمین تأثیر بگذارد. دانشمندان مرکز ایمز ناسا مدل‌های سه‌بعدی بسیار واقعی را با پشتیبانی ابررایانه‌ها تدوین کرده‌اند که برای اولین بار به آن‌ها امکان می‌دهد فیزیک پلاسمای خورشیدی را در مقیاس‌های بسیار کوچک تا بسیار بزرگ بررسی کنند. این مدل‌ها به تفسیر مشاهدات فضاپیما‌های ناسا همانند رصدخانه دینامیک خورشیدی (SDO) کمک می‌کنند.

دانشمندان با بهره‌گیری از کد ناسا روی ابررایانه‌ها، درک ما از منشأ جت‌ها و توفان‌های خورشیدی – فوران پلاسما‌های بسیار داغ و بارده در جو خورشید – را بهبود بخشیده‌اند. این مدل‌ها به جامعه علمی اجازه خواهند داد به سوالات دیرینه در مورد فعالیت‌های مغناطیسی خورشید و تأثیر آن بر آب‌وهوای فضایی پاسخ دهند.

تجسم علمی با ابررایانه‌ها داده‌های ناسا را قابل‌درک می‌کند

<figcaption class="wp-element-caption"نقشه جهانی نشان‌دهنده الگوهای باد و حرکت دی‌اکسید کربن از ژانویه تا مارس ۲۰۲۰. مدل DYAMOND منبع های انتشار کردن دی‌اکسید کربن و گسترش آن‌ها در قاره‌ها و اقیانوس‌ها را مشخص می کند.

همانند‌سازی‌ها و مشاهدات ناسا با پشتیبانی ابررایانه‌ها می‌توانند چندین پتابایت داده تولید کنند که درک آن‌ها به شکل اولیه دشوار است. استودیوی تجسم علمی (SVS) مستقر در مرکز گادرد ناسا، با همکاری نزدیک با دانشمندان، این داده‌ها را به شکل تجسم‌های سینمایی با وضوح بالا تبدیل می‌کند.

زیرساخت مهم برای این تولیدات SVS شامل ابررایانه در مرکز همانند‌سازی اقلیم ناسا در گادرد است که می‌زبان انواع همانند‌سازی‌ها بوده و امکان تحلیل داده‌ها و تفسیر تصاویر را فراهم می‌کند.