スーパーコンピューティングが宇宙の理解を進める 6 つの方法

NASA では、ハイエンド コンピューティングは多くの政府機関の任務に不可欠です。このテクノロジーは、地球から宇宙の果てまで、宇宙についての理解を進めるのに役立ちます。スーパーコンピューターは、宇宙のテクノロジーや地球上の生命に影響を与える太陽の活動に関する発見、革新的な気象および気候科学のための人工知能ベースのモデルの構築、宇宙飛行士を宇宙に送る発射台の再設計の支援など、さまざまな研究にわたるプロジェクトを可能にします。アルテミスⅡと。

これらのプロジェクトは、ハイ パフォーマンス コンピューティング、ネットワーキング、ストレージ、分析に関する国際会議 (SC24) 中に NASA が展示した多数のプロジェクトのほんの一例にすぎません。 NASA の科学ミッション総局副管理者であるニコラ・“ニッキー”・フォックス博士は、11 月 19 日火曜日に「NASA の高影響科学と探査に対するビジョン」と題する基調講演を行い、そこで、NASA についてさらに詳しく語る予定です。 NASA がスーパーコンピューティングを使用して、すべての人の利益のために宇宙を探索する方法。 NASA がカンファレンスで共有する取り組みについてもう少し詳しく説明します。

NASA エイムズの研究者は、2025 年に予定されているスペース ローンチ システム (SLS) ロケットとオリオン宇宙船の最初の有人ミッションであるアルテミス II テスト飛行で宇宙飛行士が安全に打ち上げられるよう支援しています。彼らは、Launch Ascent および Vehicle Aerodynamics ソフトウェアを使用して、アルテミス I の打ち上げ時に使用されたロケットのプルームと水ベースの消音システムとの間の複雑な相互作用により、打ち上げ前にロケットを支えていた移動式発射台のプラットフォームが損傷しました。

給水システムを作動させた場合と作動させない場合のシミュレーションを比較すると、消音システムは圧力波を効果的に低減しますが、排気ガスが水の方向を変えて大幅な圧力上昇を引き起こす可能性があることが明らかになりました。

シミュレーションは、エイムズにある NASA アドバンスト スーパーコンピューティング施設のエイトケン スーパーコンピューターで実行され、約 400 テラバイトのデータが生成されました。このデータは、フロリダ州にある NASA ケネディ宇宙センターの航空宇宙技術者に提供され、アルテミス II 打ち上げ用の火炎偏向器と移動式発射装置の再設計を行っています。

商業飛行をより効率的かつ持続可能なものにするために、カリフォルニアのシリコンバレーにある NASA エイムズ研究センターの研究者とエンジニアは、翼、胴体、その他の航空機の形状を微調整することで空気抵抗、つまり抗力を減らす航空機の設計を改良することに取り組んでいます。構造コンポーネント。これらの変更により、飛行に必要なエネルギーが低減され、必要な燃料の量が削減され、排出ガスが減少し、航空機の全体的な性能が向上し、空港周辺の騒音レベルの低減に役立つ可能性があります。

エイムズで開発された NASA の Launch、Ascent、Vehicle Aerodynamics 計算モデリング ソフトウェアを使用して、研究者らは政府機関のスーパーコンピューターの能力を活用して何百ものシミュレーションを実行し、既存の航空機と将来の車両のコンセプトに関するさまざまな設計の可能性を探っています。彼らの研究により、既存の民間航空機設計の抵抗を 4% 削減できる可能性が示され、実際の用途では大幅な燃料節約につながります。

従来の気象および気候モデルは、地球の大気と海洋にわたる何百万もの小さな領域 (グリッド ボックス) の数式を解くことによって、地球規模および地域的な結果を生成します。 NASA とパートナーは現在、人工知能 (AI) 技術を使用して基礎モデルをトレーニングする新しいアプローチを模索しています。

基礎モデルは、ラベルのない大規模なデータセットを使用して開発されるため、研究者は、最小限の追加トレーニングで独立して、予測の作成や気象パターンや気候変動の予測など、さまざまな用途に合わせて結果を微調整できます。

NASA は、IBM Research と協力して、オープンソースの一般公開されている Prithvi Weather-Climate 基礎モデル (Prithvi WxC) を開発しました。 Prithvi WxC は、NASA アドバンスト スーパーコンピューティング施設の最新の NVIDIA A100 GPU で、NASA の研究と応用のための現代レトロスペクティブ分析 (MERRA-2) データセットからの 160 個の変数を使用して事前トレーニングされました。

23 億のパラメータを備えた Prithvi WxC は、ハリケーンの進路などのさまざまな気象現象を高解像度でモデル化できます。アプリケーションには、対象を絞った天気予報や気候予測のほか、重力波などの物理プロセスの表現も含まれます。

中性子星の内部の極限状態を調査するため、メリーランド州グリーンベルトにある NASA ゴダード宇宙飛行センターの研究者たちは、シミュレーション、観測、AI を組み合わせて、これらの異常な宇宙天体の謎を解明しています。中性子星は、爆発した星の死んだ核であり、宇宙で最も密度の高い天体の一部です。

NASA アドバンスト スーパーコンピューティング施設のスーパーコンピューターで実行される最先端のシミュレーションは、NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡や中性子星内部組成探査機 (NICER) 観測所で観測される現象の説明に役立ちます。これらの現象には、パルサーとして知られる急速に回転し、高度に磁化された中性子星が含まれますが、その詳細な物理的メカニズムは発見以来謎のままです。ディープ ニューラル ネットワークなどの AI ツールを適用することで、科学者は NICER やフェルミ天文台で得られたデータから星の質量、半径、磁場構造、その他の特性を推測できます。

シミュレーションの前例のない結果は、ブラック ホールやその他の宇宙環境に関する同様の研究を導くだけでなく、将来の科学的宇宙ミッションやミッションの概念を形成する上で極めて重要な役割を果たすでしょう。

太陽フレアやコロナ質量放出などの現象を引き起こす太陽の活動は、宇宙環境に影響を与え、衛星電子機器、無線通信、GPS 信号、地球上の電力網に干渉する可能性のある宇宙気象擾乱を引き起こします。 NASA エイムズの科学者は、非常に現実的な 3D モデルを作成しました。これにより、非常に小さなスケールから非常に大きなスケールまで、動作中の太陽プラズマの物理学を初めて調べることができるようになりました。これらのモデルは、太陽力学天文台 (SDO) などの NASA 探査機からの観測を解釈するのに役立ちます。

NASA の先端スーパーコンピューティング施設のスーパーコンピューターで NASA の StellarBox コードを使用することで、科学者たちは、太陽ジェットと竜巻、つまり太陽大気中の極度に高温で帯電したプラズマの爆発の起源についての理解を深めました。これらのモデルにより、科学界は太陽の磁気活動とそれが宇宙天気にどのような影響を与えるかという長年の疑問に取り組むことができます。

NASA のシミュレーションと観測では、元の形式では理解するのが難しいペタバイト規模のデータが得られることがあります。 NASA Goddard に拠点を置く Scientific Visualization Studio (SVS) は、科学者と緊密に連携して映画のような忠実度の高い視覚化を作成することで、データを洞察に変えます。

これらの SVS 作成の主要なインフラストラクチャには、NASA 気候シミュレーション センターのゴダードにある Discover スーパーコンピューターが含まれます。このスーパーコンピューターは、さまざまなシミュレーションをホストし、データ分析と画像レンダリング機能を提供します。最近のデータ駆動型の視覚化では、マルチスケール大気地球空間環境 (MAGE) モデルを使用して、太陽からのコロナ質量放出が地球の磁気圏に衝突する様子が示されています。大気大循環のダイナミクス (DYAMOND) モデルによる、地球を巡る地球規模の二酸化炭素排出量。エルニーニョ南方振動 (ENSO) モデルを使用したラニーニャとエルニーニョの気象パターンの表現。

2024 年 11 月 17 ～ 22 日にアトランタで開催されるハイパフォーマンス コンピューティング、ネットワーキング、ストレージ、分析に関する国際会議における NASA の仮想展示の詳細については、次のサイトをご覧ください。

https://www.nas.nasa.gov/SC24

NASA ハイエンド コンピューティングによって実行されるスーパーコンピューターの詳細については、次のサイトを参照してください。

https://hec.nasa.gov

ニュースメディアの場合:

このトピックの報道に興味のある報道機関のメンバーは、NASA エイムズ ニュースルームまでご連絡ください。

著者: Jill Dunbar、Michelle Moyer、Katie Pitta、NASA エイムズ研究センター。とNASAゴダード宇宙飛行センターのジャレット・コーエン氏