La simulaci¨®n resuelve problemas a medio camino entre la teor¨ªa y el experimento

Hace m¨¢s de siglo y medio que f¨ªsicos, ingenieros y matem¨¢ticos conocen las ecuaciones que describen el comportamiento de l¨ªquidos y gases, y, sin embargo, a¨²n no pueden prever con exactitud c¨®mo se mover¨¢ una simple gota de agua. Por ello, ni los m¨¢s optimistas vaticinan una soluci¨®n pr¨®xima para problemas como el del rendimiento de los combustibles en los coches y aviones, la evoluci¨®n de los contaminantes en la atm¨®sfera o la predicci¨®n del clima a medio plazo. Pero algunos avances s¨ª se han hecho. La gran potencia de las supercomputadoras actuales ha permitido, por ejemplo, aprovechar los flujos de aire del observatorio de Mauna Kea, en Hawai, para que mantuvieran el enfriamiento de la c¨²pula en el supertelescopio Keck 1 -el m¨¢s grandes del mundo, con espejo principal de 10 metros de di¨¢metro- y del gemelo Keck 2, en construcci¨®n.Ha sido s¨®lo uno m¨¢s de los encargos que se reciben en el Instituto de Estudios Espaciales y Astron¨¢uticos de Tokio, dirigido por Kunio Kuwahara. All¨ª tienen una de las m¨¢s potentes computadoras disponibles hoy, un CRAY, y el trabajo de los investigadores consiste en resolver las ya antiguas ecuaciones de din¨¢mica de flujos (de Navier-Stokes) con m¨¦todos de c¨¢lculo num¨¦rico y pronosticar as¨ª la conducta futura de un sistema."Para Keck tardamos aproximadamente un mes en crear un modelo general del movimiento del aire en el observatorio; fue relativamente sencillo, y el dise?o de la c¨²pula se modific¨® en funci¨®n de nuestras predicciones", se?ala Kuwahara. Recientemente, en la Universidad Internacional Men¨¦ndez Pelayo, en Santander, Kuwahara mostr¨® c¨®mo con modernas t¨¦cnicas de visualizaci¨®n sus modelos se traducen en bonitas im¨¢genes en movimiento, "muy valiosas para ayudar a interpretar los n¨²meros".

Dise?o de coches

No obstante, la modelizaci¨®n exige conocer m¨ªnimamente las condiciones iniciales de un sistema, y por eso "donde m¨¢s hemos avanzado es en el dise?o de coches", afirma Jae Min Hyun, colaborador de Kuwahara. "Los experimentos reales, en t¨²neles de viento, nos proporcionan muchos datos de partida para hacer correr las ecuaciones. Hemos realizado ya aplicaciones importantes para algunos fabricantes de coches". Pero, ?hasta qu¨¦ punto las predicciones de los modelos se ajustan a la realidad?Para Kuwahara, que ha modelizado tambi¨¦n la explosi¨®n de una estrella supernova, el entorno de un agujero negro y una erupci¨®n volc¨¢nica, los modelos son "una forma m¨¢s de aproximarse a los problemas, a medio camino entre la teor¨ªa y la experimentaci¨®n pr¨¢ctica. Las teor¨ªas suelen ser demasiado generales, y las observaciones directas, demasiado realistas. La modelizaci¨®n las complementa, y a menudo es hoy incluso la mejor manera de comprender un sistema".

De todas formas, Jae Min recuerda que "en la mayor¨ªa de los casos los experimentos han demostrado que la modelizaci¨®n es fiable, aunque, desde luego, hay cuestiones muy dif¨ªciles de abordar por la imposibilidad de controlar todas las condiciones iniciales".Es lo que ocurre cuando los fluidos se mueven de forma turbulenta, como el aire en la atm¨®sfera o como el combustible de los coches al quemarse en el motor. "Modelizar la combusti¨®n es muy complejo. Implica seguir la pista de al menos 600 especies qu¨ªmicas distintas que se producen en los milisegundos que dura el proceso, y que reaccionan adem¨¢s miles de ve ces entre s¨ª", explica el ingeniero de investigador Amable Li?¨¢n. El rendimiento del combustible en los coches, recuerda este experto, no supera el 25% totalmente.

"Cada a?o se queman en todo el planeta 7.000 millones de toneladas de combustible, y por cada mil toneladas se emiten a la atm¨®sfera unos cien kilos de ¨®xido de nitr¨®geno (un potente contaminante). La transformaci¨®n de la energ¨ªa qu¨ªmica de los combustibles en energ¨ªa mec¨¢nica es s¨®lo parcial, el resto se desperdicia en forma de calor vertido al medio ambiente", dice Li?¨¢n.

Los primeros modelos realistas de combusti¨®n no tienen m¨¢s de 10 a?os, y con ellos "se trata de aproximarse al rendimiento ¨®ptimo. Pero aunque la potencia de los ordenadores aumente, siempre tendremos limitaciones", contin¨²a Lifi¨¢n. "Es como si tuvi¨¦ramos que seguir la trayectoria en el tiempo de un mill¨®n de puntos que se mueven de forma aleatoria".