Un equipo de la CNEA construye la ciencia del futuro con una supercomputadora
La División Teoría del Departamento de Física de la Materia Condensada está abocada principalmente a la ciencia básica. Su principal herramienta es una supercomputadora de 50 nodos y 1.000 núcleos que puede realizar 10.000 millones de operaciones por segundo. La utilizan para realizar simulaciones.
¿Cómo fluiría un líquido a través de canales de escala nano revestidos por polímeros? ¿Cómo se podría mejorar la extracción del calor que generan los dispositivos electrónicos? ¿Se pueden usar métodos electroquímicos para separar los isótopos del litio para aplicaciones en tecnología nuclear? ¿Es posible convertir el dióxido de carbono de la atmósfera en combustible? Estos son algunos de los interrogantes para los que busca respuestas la División Teoría del Departamento de Física de la Materia Condensada, que depende de la Gerencia de Investigación y Aplicaciones de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). Para resolverlos cuenta con una poderosa aliada: una supercomputadora con la capacidad de hacer 10.000 millones de operaciones por segundo. La División Teoría está abocada principalmente a la ciencia básica: genera conocimientos que la ciencia aplicada usa como sustento para elaborar soluciones prácticas para diferentes problemas científicos en general y necesidades del área nuclear en particular. La jefa de este equipo, la doctora en Física Verónica Vildosola, explica: “Nuestro objetivo es estudiar las propiedades físicas y físicoquímicas de distintos tipos de materiales y sistemas de interés para la CNEA y también responder problemas fundamentales de las ciencias básicas. Para esto nos valemos de diversas técnicas que utilizan tanto herramientas de la mecánica cuántica como de la mecánica estadística”. La mecánica estadística es la rama de la Física que se vale de la teoría de la probabilidad para deducir el comportamiento de sistemas macroscópicos, que son los que están formados por miles de millones de partículas, como los sólidos, los líquidos o los gases. Mientras tanto, la mecánica cuántica estudia los cuerpos a escala muy pequeña, los sistemas atómicos y subatómicos, así como sus interacciones con la radiación electromagnética y otras fuerzas. La supercomputadora es utilizada para hacer simulaciones y estudiar cómo se comportaría un sistema. Se utilizan códigos de primeros principios basados en la mecánica cuántica; de dinámica molecular, que analiza el comportamiento de un sistema físico, químico o biológico a través del tiempo calculando las fuerzas entre sus átomos mediante las ecuaciones del movimiento de Newton, y Montecarlo. Este último método es una técnica matemática que, con la ayuda de la estadística, predice los posibles resultados de un evento incierto. Hacer pruebas mediante simulaciones ofrece la posibilidad de controlar en detalle el sistema, así como de observar cada uno de sus elementos en particular. “Es como utilizar un microscopio superpoderoso, pero virtual, que permite ver cosas que en un microscopio normal no se podrían observar”, compara el doctor en Física Claudio Pastorino, que utiliza esta herramienta para estudiar la física de los polímeros, que es la de las grandes moléculas compuestas por la unión de moléculas más pequeñas. La supercomputadora fue bautizada como Sol 67 y convive con otras más pequeñas en el Laboratorio de Simulación, Diseño y Modelado Computacional (LABSIM). La utilizan a tiempo completo 14 investigadores y 12 estudiantes no solo para sus trabajos, sino para la formación de recursos humanos tanto de distintas dependencias de la CNEA como de diversas instituciones de ciencia y técnica. Ubicado en una sala con una refrigeración especial, el LABSIM cuenta con 50 nodos que reúnen 1.000 núcleos de procesamiento que trabajan en paralelo y sin detenerse nunca. De esta manera pueden resolver mucho más rápido los problemas planteados. Lo que en una computadora común requeriría un mes, aquí se resuelve en un día. La memoria RAM de esta supercomputadora es de 3 Terabytes y tiene capacidad para almacenar 54TB. Sus nodos se comunican a través de una red mucho más veloz que Internet, llamada InfiniBand. Entre otras investigaciones, actualmente el LABSIM se utiliza en los siguientes proyectos: “Utilizamos la supercomputadora para hacer simulaciones de dinámica molecular fuera de equilibrio, con el fin de estudiar el flujo de líquidos simples y complejos confinados en nano-canales. Las paredes de esos nano-canales están revestidas con polímeros que modifican la forma en que fluye el líquido o lo convierten en gotas que, a su vez, después pueden transformarse en carriers para, por ejemplo, llevar una medicación”, detalla Pastorino. “Nosotros estudiamos el desarrollo de un método para separar los isótopos del litio -cuenta Vildosola-. El método actual para hacerlo utiliza mercurio y es muy contaminante. En la CNEA investigamos alternativas sustentables, en particular, en el Centro Atómico Constituyentes trabajamos con métodos electroquímicos. En una celda similar a la de las baterías de ion litio, si se eligen bien los materiales, el litio se deposita en diferente proporción a la natural y se pueden separar sus isótopos. Las simulaciones nos permiten entender los mecanismos que dan lugar al fraccionamiento isotópico y analizar el comportamiento de distintos materiales”. A su vez, el flujo de calor puede dar lugar a cambios de fase, como en procesos de condensación o ebullición. Estos fenómenos se utilizan en plantas de potencia eléctrica, desalinización térmica, calefacción y refrigeración doméstica, enfriamiento de dispositivos electrónicos y recuperación de calor desechado. Una mejora en la eficiencia de los procesos de transferencia de calor implicaría un gran impacto, tanto ambiental como económico. Además, uno de los desafíos más importantes para continuar la carrera de miniaturización de los dispositivos electrónicos es lograr una extracción eficiente del calor que se genera en estos.Algunas líneas de investigación
Por otro lado, hay un grupo que investiga nuevos materiales y aplicaciones de baterías de litio.
Los fenómenos de transferencia de calor tienen una gran importancia en un amplísimo rango de aplicaciones que van desde los procesos de generación y conversión de energía, el enfriamiento de motores o la criogenia hasta los dispositivos electrónicos. En el futuro, estas aplicaciones requerirán un funcionamiento a mayor densidad de energía, lo que implicará una mayor generación de calor, que deberá ser removido de manera más eficiente.