نحوه انقلاب ابررایانهها در درک ما از جهان؛ از مأموریت آرتمیس تا پیشبینی آبوهوا

نحوه انقلاب ابررایانهها در درک ما از جهان؛ از مأموریت آرتمیس تا پیشبینی آبوهوا, پردازشهای پیشرفته و سطح بالا در ناسا، ستون فقرات تعداد زیادی از مأموریتهای حیاتی این آژانس فضایی محسوب میشوند. بهرهگیری از قدرت ابررایانهها، درک بشر از جهان را از سطح زمین تا اعماق کیهان گسترش داده و پروژههای پژوهشی گوناگونی را در حوزههای مختلف ممکن ساخته است.

این فناوریها در کشف پدیدههای خورشیدی که بر تکنولوژیهای فضایی و زندگی بر روی زمین تأثیر میگذارند، توسعه مدلهای هوش مصنوعی برای علوم آبوهوا و اقلیم، و همچنین پشتیبانی از طراحی مجدد سکوی پرتاب برای مأموریت آرتمیس ۲، نقشی کلیدی ایفا میکنند. نمایش إنجازات در کنفرانس بینالمللی این پروژهها تنها بخشی از دستاوردهای عرضه شده در نمایشگاه ناسا در کنفرانس بینالمللی پردازشهای سطح بالا، شبکهسازی، ذخیرهسازی و تحلیل بودند.

دکتر نیکولا فاکس، معاون مدیر بخش مأموریتهای علمی ناسا، در این رویداد با سخنرانیای با موضوع چشمانداز ناسا برای علوم و اکتشافات پرتأثیر، راهکارهای بهرهگیری از ابررایانهها برای اکتشاف کیهان به نفع همه بشر را تشریح کرد.

همانندسازی محیط پرتاب برای مأموریت آرتمیس ۲ پژوهشگران مرکز ایمز ناسا، با هدف اطمینان از ایمنی فضانوردان در پرواز آزمایشی آرتمیس ۲ — نخستین مأموریت سرنشین موشک سیستم پرتاب فضایی (SLS) و فضاپیما اوریون که برای سال ۲۰۲۵ برنامهریزی شده — تلاشهای گستردهای انجام دادهاند.

آنها با استفاده از نرمافزارهای و، تعاملات 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 قبلاً باعث آسیب به سکوی پرتاب متحرک شده بود.

مقایسه نتایج همانندسازیها با و بدون فعالسازی سیستمهای مهار صدا نشان داد که اگرچه این سیستم به طور موثری امواج فشار را کاهش میدهد، اما گازهای خروجی میتوانند جریان آب را منحرف کرده و فشار را به میزان قابل توجهی افزایش دهند. این محاسبات که روی ابررایانه آیتکن در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا اجرا شده، نزدیک به ۴۰۰ ترابایت داده تولید کرد.

این دادهها به مهندسان هوافضا در مرکز فضایی کندی ناسا در فلوریدا ارائه شد تا در بازطراحی منحرفکننده شعله و پرتابگر متحرک برای مأموریت آرتمیس ۲ مورد استفاده قرار گیرند.

بهینهسازی طراحی هواپیما برای کاهش مصرف سوخت برای ارتقای کارایی و پایداری پروازهای تجاری، محققان و مهندسان مرکز تحقیقات ایمز ناسا در کالیفرنیا در حال بهینهسازی طراحی هواپیماها با تمرکز بر کاهش مقاومت هوا از طریق اصلاح شکل بالها، بدنه و سایر اجزای ساختاری هستند.

این تغییرات میتواند انرژی مورد نیاز برای پرواز، مصرف سوخت و انتشار آلایندهها را کاهش دهد، عملکرد کلی هواپیما را بهبود بخشد و به کاهش آلودگی صدا در محوطه فرودگاهها کمک کند. با بهرهگیری از نرمافزارهای محاسباتی مدلسازی پرتاب، صعود و آیرودینامیک توسعهیافته در ناسا، پژوهشگران از توان ابررایانهها برای اجرای صدها همانندسازی با هدف بررسی انواع امکانات طراحی — چه برای هواپیماهای موجود و چه مدلهای مفهومی آینده — استفاده میکنند.

نتایج نشان میدهد که میتوان در طراحی جاری هواپیماهای تجاری، مقاومت هوا را تا ۴ درصد کاهش داد که به معنی صرفهجویی قابل توجه در مصرف سوخت است. کاربرد هوش مصنوعی در پیشبینی آبوهوا و اقلیم مدلهای سنتی آبوهوا با حل معادلات ریاضی برای میلیونها ناحیه کوچک (باکسهای شبکهای) در جو و اقیانوسها، نتایج جهانی و منطقهای تولید میکنند.

ناسا و شرکای آن اکنون رویکردهای نوینی را بررسی میکنند که از تکنیکهای هوش مصنوعی برای آموزش مدلهای پایه بهره میبرند. این مدلهای پایه با استفاده از مجموعه دادههای گسترده توسعه مییابند تا محققان بتوانند نتایج را برای کاربردهای متنوع — نظیر پیشبینی الگوهای آبوهوایی یا تغییرات اقلیمی — به طور مجزا و با حداقل آموزش اضافی تنظیم کنند.

ناسا در همکاری با آیبیام ریسرچ (IBM )، مدلی پایه با نام آبوهوا – اقلیم پریتوی را به صورت متنباز و در دسترس عموم توسعه داده است. این مدل با بهرهگیری از ۱۶۰ متغیر از پایگاه داده ناسا، روی پردازشگرهای گرافیکی انویدیا در مرکز محاسبات پیشرفته ناسا پیشآموزش دیده است. مدل پریتوی با ۲ میلیارد و ۳۰۰ میلیون پارامتر، قادر است پدیدههای متنوع آبوهوایی و اقلیمی — نظیر مسیر طوفانهای گرمسیری — را با وضوح بالا مدلسازی کند.

کاربردهای آن شامل پیشبینی موثر آبوهوا، پیشبینی اقلیم و نمایش فرایندهای فیزیکی نظیر امواج گرانشی میشود. فاش کردن رازهای ستارههای نوترونی با همانندسازی پیشرفته برای کاوش شرایط شگفتانگیز درون ستارههای نوترونی، پژوهشگران مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا از ترکیبی از مشاهدات، همانندسازی و هوش مصنوعی بهره میبرند. ستارههای نوترونی، هستههای مرده ستارگانی هستند که منفجر شدهاند و از متراکمترین اجرام جهان هستی به شمار میروند.

همانندسازیهای پیشرفته اجرا شده بر روی ابررایانههای مرکز محاسبات پیشرفته ناسا، به تبیین پدیدههایی کمک میکند که از طریق تلسکوپ فضایی پرتو گاما فرمی و رصدخانه NICER رصد شدهاند. با استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی نظیر شبکههای عصبی عمیق، دانشمندان میتوانند جرم، شعاع، ساختار میدان مغناطیسی و سایر ویژگیهای این ستارهها را استنتاج کنند.

نتایج بیسابقه حاصل از این همانندسازیها، نه تنها تحقیقات مشابه در مورد سیاهچالهها و سایر محیطهای فضایی را هدایت میکند، بلکه نقشی بنیادین در شکلدهی مأموریتهای علمی و فضایی آینده ایفا میکند.

مدلسازی سهبعدی فعالیتهای خورشید فعالیتهای خورشیدی شامل رویدادهای نظیر شرارههای خورشیدی و پرتاب جرم از تاج خورشیدی، محیط فضا را تحت تأثیر قرار داده و باعث اختلال در آبوهوای فضایی میشوند که میتواند بر قطعات الکترونیکی ماهوارهها، ارتباطات رادیویی، سیگنالهای جیپیاس و شبکههای برق بر روی زمین تأثیر بگذارد.

دانشمندان مرکز ایمز ناسا با پشتیبانی از ابررایانهها، مدلهای سهبعدی بسیار واقعی را توسعه دادهاند که برای نخستین بار امکان بررسی فیزیک پلاسمای خورشیدی را در مقیاسهای بسیار کوچک تا بسیار بزرگ فراهم آورده است. این مدلها در تفسیر مشاهدات فضاپیماهای ناسا نظیر رصدخانه دینامیک خورشیدی (SDO) یاریرسان هستند.

با بهرهگیری از کد ناسا روی ابررایانهها، درک ما از منشأ جتها و توفانهای خورشیدی — فوران پلاسماهای بسیار داغ و باردار در جو خورشید — بهبود یافته است. این مدلها به جامعه علمی امکان میدهند تا به سوالات دیرینه در مورد فعالیتهای مغناطیسی خورشید و تأثیر آن بر آبوهوای فضایی پاسخ دهند.

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

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