Científicos Construyen Digital Twins en NVIDIA Omniverse para Acelerar la Investigación de Energía Limpia

La Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido y la Universidad de Manchester están utilizando la plataforma de simulación de digital twins para conectar equipos de diseño distribuidos y obtener una comprensión más profunda sobre el comportamiento del plasma de fusión.
por Madison Huang

A medida que se acelera el cambio climático global, encontrar y asegurar energía limpia es un desafío crucial para muchos investigadores, organizaciones y gobiernos.

La Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA), a través de un proyecto de evaluación en la Universidad de Manchester, ha estado probando la plataforma de simulación NVIDIA Omniverse para acelerar el diseño y el desarrollo de una planta de energía de fusión a escala completa que podría incorporar energía limpia a la red en los próximos años.

Durante las últimas décadas, los científicos han experimentado con formas de crear energía de fusión, que produce cero emisiones de carbono y baja radiactividad. Esta tecnología podría proporcionar energía limpia, segura y accesible prácticamente ilimitada para satisfacer la creciente demanda mundial.

La fusión es el principio de que la energía se puede liberar mediante la combinación de núcleos atómicos. Pero la energía de fusión aún no se ha escalado con éxito para la producción debido a las necesidades de entrada de alta energía y al comportamiento impredecible de la reacción de fusión.

La reacción de fusión es lo que genera el combustible del sol, donde las enormes presiones gravitacionales permiten que la fusión suceda naturalmente a temperaturas de alrededor de 27 millones de grados Fahrenheit. Pero la Tierra no tiene la misma presión gravitacional que el sol, y esto significa que las temperaturas para producir la fusión deben ser mucho más altas, por encima de los 180 millones de grados.

Para replicar la potencia del sol en la Tierra, los investigadores e ingenieros están utilizando los últimos avances en ciencia de datos y computación a escala extrema para desarrollar diseños para centrales de fusión. Con NVIDIA Omniverse, los investigadores podrían construir un digital twin completamente funcional de una planta eléctrica, lo que ayudará a garantizar que los diseños más eficientes se seleccionen para la construcción.

Acelerar el Diseño, la Simulación y la Colaboración en Tiempo Real

Construir un digital twin que represente con precisión todos los componentes de la central eléctrica, el plasma y los sistemas de control y mantenimiento es un enorme desafío, uno que puede beneficiarse enormemente de la IA, la computación por GPU a exaescala y el software de simulación físicamente preciso.

Comienza con el diseño de una planta de fusión, que requiere una gran cantidad de piezas y entradas de grandes equipos de ingenieros, diseño e investigación expertos durante todo el proceso. «Hay muchos componentes diferentes, y tenemos que tener en cuenta muchas áreas diferentes de física e ingeniería», dijo Lee Margetts, director de ingeniería digital de UKAEA para la fusión nuclear de la Universidad de Manchester. «Si hacemos un cambio de diseño en un sistema, esto tiene un efecto demoledor en otros sistemas».

En el proyecto participan expertos de varios sectores. Cada miembro del equipo utiliza diferentes aplicaciones de diseño asistido por computadora o herramientas de simulación, y el trabajo de un experto en un dominio depende de los datos de otros que trabajan en diferentes dominios.

El equipo de UKAEA está explorando Omniverse para ayudarlos a trabajar juntos en un entorno de simulación en tiempo real, para que puedan ver el diseño de toda la máquina en lugar de solo subcomponentes individuales.

Omniverse ha sido fundamental para mantener la sincronización de todas estas partes en movimiento. Al lograr que todas las herramientas y aplicaciones se conecten, Omniverse permite a los ingenieros que trabajan en el diseño de plantas de energía colaborar simultáneamente desde una sola fuente de información.

«Podemos ver tres ingenieros diferentes, desde tres ubicaciones diferentes, que trabajan en tres componentes diferentes de una central eléctrica en tres paquetes diferentes», dijo Muhammad Omer, investigador del proyecto.

Omer explicó que, cuando experimentó en Omniverse, el equipo logró fotorrealismo en sus diseños de plantas de energía utilizando las capacidades centrales de la plataforma para importar datos 3D de fidelidad completa. También podían visualizar en tiempo real con el renderizador RTX, que les permitió comparar fácilmente diferentes opciones de diseño para los componentes.

La simulación de plasma de fusión también es un desafío. Los equipos desarrollaron extensiones de Omniverse basadas en Python con Omniverse Kit para conectar e ingerir datos del software de simulación de la industria Monte Carlo Neutronics Code Geant4. Esto les permite simular el transporte de neutrones en el núcleo de la central, que es la que lleva la energía de la central eléctrica.

También construyeron Extensiones de Omniverse para ver el código de simulación de plasma JOREK, que simula las emisiones de luz visibles, a fin de brindarles a los investigadores información sobre el estado del plasma. Los científicos comenzarán a explorar el framework de física de IA NVIDIA Modulus para usar con sus datos de simulación existentes y desarrollar modelos sustitutos de IA que aceleren las simulaciones de plasma de fusión.

Simulación de Monte Carlo Neutronics Code Geant4 en Omniverse.

Uso de la IA para Optimizar Diseños y Mejorar Digital Twins

Además de ayudar a diseñar, operar y controlar la central eléctrica, Omniverse puede ayudar en el entrenamiento de futuros sistemas de control y mantenimiento robóticos impulsados por IA o aumentados por IA. Estos serán esenciales para mantener las plantas en el entorno de radiación de la planta eléctrica.

Mediante Omniverse Replicator, un kit de desarrollo de software para crear conjuntos de datos y herramientas de generación de datos sintéticos personalizadas, los investigadores pueden generar grandes cantidades de datos sintéticos físicamente precisos de la planta eléctrica y el comportamiento plasmático para entrenar sistemas robóticos. Al aprender en la simulación, los robots pueden manejar correctamente las tareas con mayor precisión en el mundo real, lo que mejora el mantenimiento predictivo y reduce el tiempo de inactividad.

En el futuro, los modelos de sensores podrían realizar transmisiones en vivo de datos de observación al digital twin de Omniverse, a fin de mantenerlo constantemente sincronizado con el estado físico de la central eléctrica. Los investigadores podrán explorar varios escenarios hipotéticos al probarlos primero en el digital twin antes de implementar cambios en la central eléctrica física.

En general, Margetts y el equipo de UKAEA vieron muchas oportunidades y beneficios únicos en el uso de Omniverse para construir digital twins para centrales eléctricas de fusión. Omniverse proporciona la posibilidad de una plataforma en tiempo real que los investigadores pueden usar para desarrollar tecnología de vanguardia para plantas de energía. La plataforma también permite a los ingenieros trabajar sin problemas en diseños de plantas de energía. Además, los equipos pueden acceder a herramientas de IA integradas que les permitirán a los usuarios optimizar futuras centrales eléctricas.

«Estamos encantados con lo que hemos visto. Creemos que tiene un gran potencial como plataforma para la ingeniería digital», dijo Margetts.

Mira la demostración y obtén más información sobre NVIDIA Omniverse.

Imagen cortesía de Brigantium Engineering y Bentley Systems.