Superordenadores

Superordenadores

Cuando se simula la quema de combustible en uno de los superordenadores más potentes del mundo lo que vemos son puntos y líneas de color turquesa, violeta, rojo y rosa desaparecer en remolinos.

Estas psicodélicas imágenes podrían colaborar en el desarrollo de automóviles que utilizarán entre 25% y 50% menos combustible que los actuales. Sin embargo, mejorar un motor de combustión interna de 150 años de edad es algo tan complejo que los científicos que trabajan en ello están ansiosos por probar los nuevos avances de los superordenadores. El Laboratorio Nacional de Oak Ridgedel Departamento de Energía de los Estados Unidos espera mejorar considerablemente el superordenador más rápido de este país y número 3 del mundo: Jaguar. Se espera que el nuevo sistema, llamado Titán, funcione al doble de velocidad que el japonés K, considerado ahora mismo el superordenador más rápido del mundo.

Aunque la mayoría de las noticias relacionadas con este tema se centran en la lucha entre países por ocupar el primer puesto (China adelantó a Estados Unidos en 2010 y ambos fueron superados por Japón el año pasado), el laboratorio organizó una conferenciael mes pasado en Washington D.C. para hablar de los problemas reales a los que se enfrentará la nueva generación de superordenadores, y superar los retos energéticos mundiales es una de las prioridades. Los científicos están deseando aplicar los nuevos avances que podrían abrir la puerta a nuevas tecnologías, ayudar a comprender mejor el cambio climático o a mejorar esa forma de generación de energía, tan ineficaz como extendida, que es el motor de combustión interna.

«Estamos viviendo un momento muy interesante», afirmó la experta en ingeniería mecánica Jacqueline Chen, del Laboratorio Nacional Sandia, ante una audiencia formada por unos 100 expertos en superordenadores de todo el mundo. «Seguimos utilizando combustibles como gasolina y diésel mientras hay toda una ola de nuevos combustibles que no dejan de evolucionar». Al mismo tiempo, se está desarrollando una nueva generación de sistemas de combustión de alta eficacia y bajas emisiones. «Así que tenemos dos objetivos», añadió. Los cambios en combustibles y sistemas de motorización dificultan la investigación para reducir la dependencia del petróleo y las emisiones de dióxido de carbono.

«La única forma de conseguirlo es comprender la ciencia de la combustión y el combustible», afirmó Chen.  Su trabajo tiene como objetivo desarrollar modelos válidos que prevean cómo funcionarán las nuevas combinaciones de combustibles y motores.

Encendido del motor

Los motores de combustión interna han sido el caballo de batalla del transporte mundial durante más de un siglo, desde que Nikolaus Otto y Gottlieb Daimler desarrollaran y perfeccionaran el diseño en las décadas de 1870 y 1880. Pero entonces se desperdiciaban grandes cantidades de energía. Menos de un tercio de la energíadel combustible de un coche con motor de encendido por chispa se utiliza para mover el vehículo, el resto se pierde. En los motores diésel, en cambio, el encendido del combustible se produce por compresión, y son más eficientes, aunque los científicos creen que todavía se pueden mejorar.

La llamada carga homogénea y encendido por compresión (HCCI, por sus siglas en inglés) hace que en los motores el combustible se comprima hasta entrar en combustión espontánea, en lugar de encenderse utilizando una chispa eléctrica. La combustión se produce a temperaturas más bajas y mayor presión y con una mezcla de combustible mucho más diluida. La ventaja de estos motores es que la eficacia del combustible puede aumentar hasta un 50%, aunque son difíciles de controlar.

«No conocemos el proceso de encendido con suficiente detalle como para mejorar el diseño», afirma Chen. «Se necesita conseguir la velocidad de combustión correcta, o nos encontraremos con un motor muy ruidoso».

Mientras los científicos tratan de mejorar la tecnología del motor, los combustibles también cambian. Gran parte del petróleo del mercado mundial es «pesado», por lo que requiere un procesamiento adicional para convertirse en combustible. Además, los combustibles renovables como el etanol también se están convirtiendo en parte importante de la mezcla.

«Hay cientos de moléculas que han sido propuestas como combustibles alternativos», afirma Chen. «¿Cómo saber cuáles merece la pena investigar? No sería práctico realizar pruebas completas con cada una, que exigiría fabricar grandes cantidades del nuevo combustible, y con tantos diseños de motores en desarrollo, no sabríamos qué motor usar con qué nuevo combustible».

Ahí es donde entran los superordenadores.

Chen y sus colegas recurrieron a los superordenadores para comprender mejor la combustión y predecir el comportamiento de los combustibles simulando las condiciones de los nuevos motores de combustión.  Utilizaron 113 millones de horas-CPU (unidad central de procesamiento) del superordenador Jaguar para simular los procesos combustión y la velocidad de combustión en motores de carga homogénea y encendido por compresión.

Sin embargo, la velocidad de 3,3 petaflops de Jaguar no fue suficiente. Por eso Chen y su equipo están esperando poder trabajar con Titán, que mejorará la potencia hasta los 20 petaflops. Además, contará con unidades de procesamiento gráfico (GPU). El resultado de este superordenador híbrido, que combina potencia CPU y GPU permitirá al equipo de Chen mejorar sus simulaciones.

Una herramienta para el futuro

Esta investigación sobre la combustión es sólo uno de los proyectos que se beneficiarán de la mejora de los superordenadores. William Tang, director del Programa de Simulación de Fusión del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton,espera avanzar en su investigación sobre energía de fusión. El proyecto está financiado por los gobiernos de las mayores economías del mundo, el G8. En un proyecto independiente, un consorcio con sede en Oak Ridge y que incluye a científicos del Instituto Massachusetts de Tecnología, Westinghouse, la industria eléctrica y otras organizaciones, está estudiando la relación entre radiación y los reactores nucleares actuales. Su objetivo es comprender cómo puede el combustible nuclear generar menos desechos. También en Oak Ridge, unos científicos tratan de conocer en mayor profundidad el cambio climático.

James Hack, director del Instituto Nacional de las Ciencias de la Computación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, espera que Titán permita llevar a cabo simulaciones de alta resolución, necesarias para mejorar nuestro conocimiento sobre la compleja relación entre clima y energía.

«Este nuevo paso nos ayudará a tomar decisiones sobre los sistemas de energía del futuro», afirma.

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