I futuri veicoli spaziali diretti verso la luna o oltre trarranno beneficio dalle simulazioni al computer ad alta potenza in corso presso l'Università del Michigan che modellano il caos del particolato messo in moto dagli atterraggi con propulsori a razzo.

Durante la discesa, i pennacchi di scarico fluidificano il suolo superficiale e la polvere, formando crateri e colpendo il lander con ruvide, particelle abrasive. Questa azione presenta una serie di variabili che possono compromettere un atterraggio. La nostra attuale comprensione di quei milioni di interazioni si basa su dati che sono, in alcuni casi, dai 40 ai 50 anni.

"Molti dei dati disponibili utilizzati in fase di progettazione, anche per la prossima missione Mars 2020, si basa sui dati dell'era Apollo, " disse Jesse Capecelatro, un assistente professore di ingegneria meccanica presso U-M.

"I dati rilevanti per l'atterraggio sono molto difficili da generare perché non puoi semplicemente eseguire un esperimento sulla Terra. I modelli matematici esistenti si rompono in queste condizioni più estreme quando le particelle si avvicinano a velocità supersoniche. Il nostro gruppo sta sviluppando nuovi algoritmi numerici che consentono tali simulazioni. "

Capecelatro guida un team che sviluppa modelli basati sulla fisica che possono essere incorporati nei codici utilizzati dalla NASA per aiutare a prevedere cosa accadrà quando un veicolo spaziale tenterà di atterrare a milioni di miglia da casa.

È specializzato in "flussi turbolenti disordinati" e nella simulazione del comportamento di fluidi costituiti da due fasi della materia, in questo caso particelle solide sospese in un gas.

Il lancio del Mars 2020 Perseverance da Cape Canaveral è previsto per il 30 luglio e per l'atterraggio il 18 febbraio. 2021. Capecelatro analizzerà i suoi dati di discesa e li incorporerà nei suoi modelli.

Cosa sappiamo e perché non basta

Gli atterraggi dell'era Apollo hanno mostrato che il materiale di superficie disturbato può diffondersi fino a mezzo miglio, rappresentare un pericolo non solo per il lander stesso, ma anche per i veicoli vicini o i siti di atterraggio. Nonostante i progressi fatti negli anni successivi, gli atterraggi rimangono carichi di potenziali pericoli.

Otto anni fa, un sensore del vento sul rover Curiosity è stato danneggiato durante il suo atterraggio su Marte. E ad aprile 2019, il lander israeliano SpaceIL, Beresheet, Mancavano pochi minuti all'atterraggio sulla luna quando le comunicazioni fallirono e il velivolo si schiantò.

Mentre la NASA si muove verso nuove missioni con equipaggio nell'ambito del programma Artemis, questo lavoro diventa più vitale. Non solo gli umani a bordo alzano la posta in gioco, significano carichi utili più grandi e, successivamente, pennacchi di scarico più forti che interagiscono con la superficie del pianeta.

Verso modelli predittivi basati sulla fisica avanzati

Gran parte del lavoro viene eseguito sui Grandi Laghi, Il più recente cluster di elaborazione ad alte prestazioni di U-M. Ciò consente al team di ricerca di suddividere il problema in centinaia, e anche migliaia, di processori contemporaneamente. Perciò, ogni processore esegue una parte del lavoro e deve memorizzare solo una piccola frazione dei dati totali.

Ma anche i computer più potenti del mondo in questo momento possono risolvere solo così tante di queste interazioni. Per andare più in profondità, Capecelatro utilizza i modelli, le migliori ipotesi basate su tutti i dati disponibili, per spingere ulteriormente le simulazioni. L'obiettivo è fornire un quadro che la NASA possa utilizzare per prevedere meglio in che modo i diversi progetti avranno un impatto sul suolo e sull'atterraggio, e regolare.

"I supercomputer più grandi di oggi possono forse gestire un migliaio di particelle in cui catturiamo direttamente tutta la fisica del flusso, " disse Capecelatro. "Così facendo un pieno, il sito di atterraggio di un chilometro quadrato è fuori questione.

"Le nostre simulazioni forniscono le informazioni fondamentali sulla fisica del flusso necessarie per sviluppare modelli matematici migliorati di cui i loro codici hanno bisogno per simulare un evento di atterraggio su vasta scala".