Američki Odjel za energiju (DOE) nedavno je objavio da je odabrao Massachusetts Institute of Technology (MIT) za osnivanje novog istraživačkog centra specijaliziranog za napredne simulacije ekstremnih uvjeta poput visokih brzina leta i ulaska u atmosferu. Ovaj centar bit će dio četvrte faze Program za prediktivne znanosti u akademijskoj suradnji (PSAAP-IV), koji podržava vrhunska istraživanja u području obrambenih i energetskih tehnologija, koristeći snagu superračunara za razvoj naprednih simulacijskih metoda za znanost i tehniku od velike važnosti za nacionalnu sigurnost.
Što je Centar za eksascenskom simulacijom visokoentalpijskih fluida i čvrstih tijela (CHEFSI)?
Centar CHEFSI je zajednički projekt MIT-ovog centra za računalnu znanost i inženjerstvo (CSE), Schwarzman College of Computing i Instituta za nanotehnologije vojske (ISN). Glavni cilj ovog centra je iskoristiti najnaprednija eksascenska superračunala i nove algoritme za detaljno simuliranje interakcija izuzetno vrućih i brzo pokretnih plinova i čvrstih materijala. Takve su simulacije dostupne do sada samo kroz skupe i složene eksperimente, no s novim tehnologijama, ove će se metode moći koristiti za bolje razumijevanje utjecaja ekstremnih uvjeta na vozila, što je ključno za nacionalnu sigurnost, istraživanje svemira te razvoj naprednih sustava za zaštitu od toplinskih opterećenja.
Zašto je ovo važno za znanost i tehnologiju?
U svijetu moderne tehnologije posebno je istaknut razvoj hypersonicnih letjelica koje mogu postići brzine od više od 5 puta brzine zvuka (Mach 5). U tom razdoblju, plinovi i materijali djeluju u vrlo ekstremnim uvjetima gdje temperature dosežu i preko 1500 °C, a brzine i do Mach 25. Razumijevanje tih interakcija od presudne je važnosti za sigurnu i učinkovitiju vožnju, te za dizajn otpornijih i učinkovitijih sustava zaštite od toplinskih opterećenja. U 2026. godini, predviđanja ukazuju na to da će ovakve simulacije biti ključne za razvoj sigurnijih i bržih letjelica, što će biti od koristi kako za svemirska putovanja, tako i za obrambene sustave.
Kako funkcioniše CHEFSI i koje tehnologije koristi?
Kratka analiza funkcija i mehanizama
CHEFSI će kombinirati detaljne računalne modele fizikalnih ponašanja plinova i čvrstih tijela, uključujući procese oksidacije, nitridacije, ablacije i lomljenja materijala. Te simulacije omogućavaju predviđanje reakcija materijala pod ekstremnim uvjetima, što je gotovo nemoguće postići klasičnim testiranjem. Korištenjem naprednih algoritama i umjetne inteligencije, centar će moći brže i preciznije modelirati složene procese, a validacija će se provoditi kroz dizajnirane eksperimente u kontroliranom okruženju.
Prednosti i izazovi takvog pristupa
- Brza analiza: simulacije mogu zamijeniti ili nadopuniti skupe i vremenski zahtjevne testove u stvarnim uvjetima.
- Visoka preciznost: integracijom fizikalnih modela s umjetnom inteligencijom postiže se visoka razina prediktivne točnosti.
- Fleksibilnost: modeli se mogu prilagoditi različitim vrsta materijala i uvjeta rada.
Međutim, postoje izazovi u razvoju i implementaciji ovih modela, poput visokih troškova razvoja, potrebe za maksimalnom preciznošću podataka, te tehničkih limita trenutnih superračunala.
Ključne osobine i tehnologije koje donosi CHEFSI
Tehnološki napredak i moguće primjene
Novi modeli simulacija će omogućiti inženjerima i znanstvenicima da unaprijede dizajn materijala za zaštitu od topline, poput keramičkih ili kompozitnih slojeva, te razviju otpornije i učinkovitije sustave za termičku zaštitu letjelica. Osim toga, ambicija je koristiti AI za razvoj surrogate modela koji će omogućiti brzu procjenu performansi sustava bez potrebe za dugotrajnim računalnim operacijama.
Primjeri primjene uključuju:
- Unapređenje dizajna toplinske zaštite za ponovno upotrebljive svemirske brodove
- Razvoj hypersonicnih oružja i letjelica za istraživanje svemira
- Sigurnije i otpornije zaštitne sustave za vojnu opremu
Kreativni izazovi i vizije budućnosti
Ova tehnologija otvara mnoge mogućnosti za razvoj inovativnih rešenja. Na primjer, u budućnosti bi se mogli razviti materiali koji dinamički prilagođavaju svojstvo pod uvjetima leta ili ulaska u atmosferu. Uvođenje umjetne inteligencije u ove procese omogućit će samostalno prilagođavanje i optimizaciju sustava u realnom vremenu, što će revolucionizirati razvoj novih tehnologija u domenu svemirskog istraživanja i obrambenih sistema.
Koje stručnjake i institucije surađuju na projektu?
U vodstvu centra CHEFSI su istaknuti profesor Youssef Marzouk, stručnjak za aeronautiku i astronautiku, koja je zadužena i za koordinaciju s ostalim odsjecima uključenim u projekt. Uz njega, tu je i dr. Nicolas Hadjiconstantinou, stručnjak za mehaničko inženjerstvo i voditeljica suradnje s raznim odsjecima na MIT-u.
- Članovi istraživačkog tima dolaze iz područja aeronautike, elektronike, materijala, matematičkih znanosti i mehaničkog inženjerstva.
- Partneri na nacionalnoj razini uključuju Lawrence Livermore, Los Alamos i Sandia laboratorije.
Sve to omogućava širok spektar znanstvenih i tehnoloških ekspertiza za rješavanje kompleksnih problema u ekstremnim uvjetima.
Kojim će se putem razvijati znanstvene i obrazovne mogućnosti u okviru projekta?
Projekt će pružiti velik broj iskustava i prilika za studente i mlade istraživače putem staža, praktičnog rada u laboratorijima i suradnje s vodećim znanstvenicima. Na taj način, mladi će steći dragocjeno znanje i vještine o najnaprednijim simulacijskim tehnologijama te o primjeni umjetne inteligencije u znanosti.
Zaključak
U 2026. godini, razvoj centra CHEFSI predstavlja jedan od najnaprednijih koraka u području simulacije ekstremnih uvjeta, s potencijalom da revolucionizira način na koji dizajniramo i testiramo najzahtjevnije sustave u ovome svijetu i svemiru. Kroz inovativnu kombinaciju superračunala, fizikalnih modela i umjetne inteligencije, ovaj će centar omogućiti znanosti i industriji da u pojednostavljenom, sigurnom i troškovno učinkovitu modeliranju unaprijede svoje kapacitete za razvoj sigurnijih, efikasnijih i otpornijih tehnologija.
Najčešća pitanja (FAQ)
- Koje su glavne namjene simulacija u CHEFSI? Predviđanje ponašanja materijala i plinova pod ekstremnim uvjetima, kao i razvoj otpornijih sustava zaštite od topline.
- Koliko će trajati projekt i koliko će koštati? Projekt je planiran za pet godina, a svakom od pet centara dodijeljeno je do 17.5 milijuna dolara za razvoj i istraživanje.
- Koje su prednosti korištenja ovakvog sustava? Brža, jeftinija i sigurnija analiza u usporedbi s klasičnim testiranjima, uz višestruko veće mogućnosti za predviđanje i optimizaciju.
- Koji su primjeri stvarnih primjena? Bolja zaštita svemirskih brodova prilikom povratka u atmosferu, razvoj hypersonicnih letjelica, optimizacija sustava za brza vojna vozila.
- Kakvi su izazovi u razvoju takvih simulacija? Visoki troškovi razvoja modela, zahtjevi za velikim kapacitetima superračunala i potrebna visoka razina preciznosti podataka.
