Gemelos digitales para revolucionar nuestro conocimiento de los océanos

La utilización de gemelos digitales (reproducciones exactas de objetos o entornos), inaugurada por la industria aeroespacial, es algo habitual en la ingeniería y la fabricación. Aunque el concepto no es nuevo, sus aplicaciones al mundo natural sí lo son. A pesar de ello, prometen revolucionar nuestro conocimiento de los océanos, los mares y las aguas, y convertirse en un punto de inflexión en nuestra capacidad de protegerlos y recuperarlos.

“Los científicos marinos intentamos entender los sistemas y sus dinámicas. Esto nos permite desarrollar modelos y hacer pronósticos sobre el océano ...

La utilización de gemelos digitales (reproducciones exactas de objetos o entornos), inaugurada por la industria aeroespacial, es algo habitual en la ingeniería y la fabricación. Aunque el concepto no es nuevo, sus aplicaciones al mundo natural sí lo son. A pesar de ello, prometen revolucionar nuestro conocimiento de los océanos, los mares y las aguas, y convertirse en un punto de inflexión en nuestra capacidad de protegerlos y recuperarlos.

“Me gusta el término ‘gemelación’ porque refleja la evolución. Es una muestra de lo mucho que ha evolucionado la comunidad dedicada a las ciencias del mar”

Martin Visbeck, director de la unidad de investigación de Oceanografía Física del Centro Helmholtz de Investigación Oceanográfica de Kiel

“Los científicos marinos intentamos entender los sistemas y sus dinámicas. Esto nos permite desarrollar modelos y hacer pronósticos sobre el océano similares a los pronósticos del tiempo en la atmósfera. Ahora tenemos la capacidad de mirar al futuro lejano, pero nunca pensé que avanzaríamos hacia una ingeniería de los océanos como la que estamos viendo actualmente”, afirma Martin Visbeck, director de la unidad de investigación de Oceanografía Física del Centro Helmholtz de Investigación Oceanográfica de Kiel (GEOMAR) y profesor de la universidad de esa ciudad alemana.

“Me gusta el término gemelación porque refleja la evolución. Es una muestra de lo mucho que ha evolucionado la comunidad dedicada a las ciencias del mar. Estamos pasando de entender a planificar con el fin de lograr efectos positivos en los océanos favoreciendo las soluciones inspiradas en la naturaleza, perfeccionando la economía azul a fin de reducir su impacto ambiental, y fijando el tamaño y la localización óptimos de las áreas marinas protegidas”.

Visbeck forma parte de un ambicioso equipo de científicos que colabora en el desarrollo de la misión de la Unión Europea Estrella de mar 2030: Recuperar nuestros océanos y nuestras aguas. En esta iniciativa, el Gemelo Digital del Océano, más conocido por sus siglas inglesas DTO, es un componente crucial para contribuir al cometido de recuperar los océanos, los mares y las aguas de aquí a 2030 y hacer realidad el Pacto Verde Europeo.

De los fragmentos a la imagen de conjunto

Hay muchos ejemplos de cómo los gemelos digitales están ayudando a los investigadores y al sector privado a simular los futuros efectos del cambio climático y, más en general, el efecto de la acción humana en el entorno. Un ejemplo es la acuicultura noruega, en la que los criadores de salmón de los fiordos luchan contra el piojo de mar. La simulación con gemelos digitales ayuda a los granjeros a encontrar las mejores soluciones para evitar la proliferación de estos minúsculos parásitos.

Otro ejemplo lo tenemos en Países Bajos, donde la tecnología de los gemelos digitales está ayudando a perfeccionar las intervenciones de protección contra la subida del nivel del mar. Este gemelo digital en concreto se ha diseñado para servir de base a las estrategias de defensa contra el avance de las aguas mediante la combinación óptima de ampliación de los diques, reforzamiento de los bancos de arena y fortalecimiento de los manglares y los arrecifes de coral.

“Ya tenemos fragmentos de los gemelos digitales”, señalaba Visbeck. “Esto no quiere decir que no tengamos la tecnología, pero en este momento los gemelos son parciales o responden a cuestiones muy específicas. Estamos deseando tener el DTO, y hemos empezado a articular un marco para que los datos y los modelos estén mucho más conectados y sean más capaces de intercambiar información y utilizar la información intercambiada, de manera que se pueda tener una visión más amplia e investigar los efectos en otras zonas del océano”.

De los repositorios de almacenamiento de datos al gemelo digital

Se mida como se mida, el océano es inmenso. Aunque resulte difícil de imaginar, el 97% del agua de la Tierra se encuentra en los océanos. Esto significa que crear modelos que procuren una comprensión integral del ecosistema oceánico del planeta es complicado y necesita grandes repositorios de datos, sistemas avanzados basados en la nube, y una computación de alto rendimiento para procesar la información. Igualmente importante es aprovechar los recursos existentes, como el Servicio de Monitorización del Medio Ambiente Marino de Copernicus, la Red Europea de Observación y Datos Marinos (respectivamente, CMEMS y EMODnet, por sus siglas en inglés), y las infraestructuras de investigación de la Comisión Europea, como el Observatorio Europeo Multidisciplinar del Fondo Marino y la Columna de Agua (EMSO por sus siglas en inglés), Euro-Argo, Danubius o Jerico, así como sus herramientas digitales, entre ellas la Empresa Común Europea de Computación de Alto Rendimiento.

La elaboración de una imagen digital del entorno marino mundial que evolucione constantemente es la especialidad de Pierre Bahurel. “Actualmente utilizamos sistemas oceánicos digitales para hacer pronósticos relacionados con el océano y proporcionar información”, explica el director general de Mercator Ocean International, además de creador y director del CMEMS.

“Nuestro equipo y otros hemos trabajado en silos y creado bases de datos por separado”, explica. “Ha llegado el momento de que los servicios de monitorización e información oceánica trabajemos juntos y combinemos los diferentes recursos. Es lo que estamos haciendo actualmente con la misión de recuperación de los océanos y las aguas. Combinando los distintos proyectos, al final conseguiremos, por ejemplo, ofrecer una primera versión de un DTO integrado”, detalla.

“Conocemos a los actores y sabemos qué hacer. Creo que necesitaremos unos cuantos años para que funcione a la escala que soñamos, pero será realmente fantástico”.

Pierre Bahurel, director general de Mercator Ocean International y creador y director del CMEMS

Bahurel está entusiasmado con la posibilidad de aplicar lo mejor de las ciencias marinas y la tecnología para llevar la oceanografía a un nivel totalmente nuevo. “Hay gente que quizá diga que es demasiado pronto; a otros a lo mejor les parece demasiado tarde, pero yo creo que es el momento justo”, asegura Bahurel, que también ha trabajado en Europa para Copernicus. “Como es lógico, tardamos algunos años y no fue fácil, pero nos reunimos con todos los actores y con otros que competían por lo mismo, y decidimos asociarnos”.

Los mismos pasos se darán ahora para llegar al Gemelo Digital del Océano. “Haremos todo lo posible por presentar algo concreto dentro de un año”, precisa Bahurel. “Nos esforzaremos por tener un buen plan en seis meses. Creo que necesitaremos unos cuantos años para que funcione a la escala que soñamos, pero será realmente fantástico”.

Una copia del océano que funcionará en la nube

Los conocimientos que se adquieran a partir del gemelo serán fundamentales para ayudar a los científicos, los políticos y los ciudadanos en general a entender el papel que desempeñan la naturaleza y los seres humanos en la configuración del futuro del océano. Asimismo, ayudará a diseñar las mejores políticas y las formas de gestionar los recursos oceánicos e hídricos para lograr el objetivo de la Unión Europea de alcanzar la neutralidad en carbono de aquí al año 2050.

Se trata de un importante punto de inflexión para quienes se dedican a hacer pronósticos relacionados con el océano, como Nadia Pinardi, catedrática de Oceanografía de la Universidad de Bolonia que coordinó el seguimiento y la evaluación del Punto de Control del Mar Mediterráneo de la red EMODnet.

“La representación digital del océano nos ayudará a ensayar soluciones en el futuro”, afirma. “Igual que las empresas de ingeniería comprueban la fiabilidad de los objetos físicos simulándolos primero en el entorno digital, nosotros haremos lo mismo con el océano. Un gemelo digital es una manera de proteger nuestro medio ambiente costero sabiendo de antemano qué soluciones funcionan mejor”, concreta.

“Igual que las empresas de ingeniería comprueban la fiabilidad de los objetos físicos simulándolos primero en el entorno digital, nosotros haremos lo mismo con el océano”

Nadia Pinardi, profesora de Oceanografía de la Universidad de Bolonia

Por poner un ejemplo, Pinardi predice cómo ayudará el Gemelo Digital del Océano a mejorar la capacidad de adaptación frente a las amenazas a la costa consecuencia de las tormentas y la subida del nivel del mar. “Las marejadas ciclónicas son resultado del efecto combinado de las mareas y los vientos fuertes”, explica. “¿Cuál es la solución para defender el litoral y proteger las vidas y nuestras propiedades? Hasta ahora, las soluciones eran las barreras físicas levantadas delante del mar y el relleno anual de las playas con arena. Es posible que algunos piensen que es mejor utilizar soluciones inspiradas en la naturaleza, ya que la naturaleza tiene la capacidad intrínseca de proteger las zonas costeras, por ejemplo, con las praderas marinas y los manglares... Aquí es donde el gemelo digital puede ayudar mostrándonos claramente las diferentes soluciones, de manera que podamos encontrar la adecuada”.

A los investigadores, el DTO les ayudará a predecir cómo afectarán los cambios en el clima y la actividad humana a ecosistemas marinos como las praderas marinas del Mediterráneo y las migraciones del atún. Al mismo tiempo, la tecnología podría permitir a empresarios como los acuicultores obtener el máximo de producción al predecir la salinidad, las corrientes y los episodios de calor extremos, con pronósticos diarios del oxígeno, los nutrientes, los nitratos o las floraciones de algas nocivas. Asimismo, facilitará que las autoridades locales ensayen qué infraestructuras verde y azul podrían ofrecer soluciones resistentes a la subida del nivel del mar en distintos escenarios.

Para los ciudadanos, los modelos abiertos y públicos de la tecnología de los gemelos digitales crearán un bucle de realimentación virtual en el que también podrán interactuar y aportar información instantánea sobre su entorno. A su vez, esta información resultará útil para perfeccionar los modelos de las campañas de observación biológica y ecológica (como en el caso de la basura marina), o avanzar la planificación en caso de alertas meteorológicas extremas, predicciones de multiplicación de medusas peligrosas o playas no seguras para el baño.

Una vez operativo, el DTO posibilitará que los científicos vayan más allá de las cifras y las hojas de cálculo, y cuenten la historia del océano. En opinión de Viseck, el gemelo digital se puede utilizar para comunicar los problemas y las soluciones, lo cual constituye un aspecto clave de la gobernanza del cambio climático.

“En nuestra condición de científicos, vemos que se avecinan fenómenos como el calentamiento y la subida del nivel del mar. Creo que para muchos no expertos todo esto es bastante abstracto, una serie de números en gráficos, tablas y mapas. Explicar que la Tierra va a cambiar para convertirse en más seca y cálida y mostrar estos efectos en mapas no es fácil de comunicar a los no especialistas. Por desgracia, no todo el mundo sabe cómo leer un mapa o interpretar los números. Para la mayoría de las personas, es mucho más intuitivo poner algo en relación con lo que ven. Por ejemplo, todos entendemos los paisajes, o los paisajes oceánicos. Por eso, si podemos mostrar a la gente cómo cambiará el paisaje oceánico, eso dejará huella y ayudará a elegir entre distintas opciones de desarrollo. La manera en la que están cambiando los paisajes terrestres y marinos es lo que impresionará más a los no expertos. Y creo que los gemelos digitales y las visualizaciones avanzadas nos permitirán precisamente eso”, remacha el científico.

Empieza una nueva aventura de creación de gemelos digitales

En febrero de 2022 se puso en marcha uno de los mayores proyectos de creación de gemelos digitales. El ILIAD, un emblemático proyecto internacional financiado en el marco de la Convocatoria del Pacto Verde Europeo, ha sentado las bases para el desarrollo del Gemelo Digital del Océano (DTO) de ILIAD. Se trata de un gemelo digital interoperable con multitud de datos, diseñado para aprovechar al máximo las grandes cantidades de nuevos datos aportadas por las fuentes terrestres y las modernas infraestructuras de computación, desde las redes sociales hasta el Internet de las Cosas.

Basándose en los recursos resultado de 20 años de inversión en políticas e infraestructuras para la economía azul, ILIAD aplicará un enfoque de “sistema de sistemas” para explorar el océano a través de una aplicación de geovisualización con realidad virtual. La aplicación combinará la modelización de alta resolución con la detección instantánea de los parámetros oceánicos y la utilización de algoritmos avanzados para predecir fenómenos espaciotemporales y reconocer pautas.

Concretamente, el DTO de ILIAD consistirá en varias réplicas instantáneas o casi instantáneas del océano. Estos gemelos digitales se utilizarán para facilitar el diseño y el desarrollo de servicios inteligentes e innovadores, lo cual allanará el camino a un gemelo digital del océano abierto, práctico y equitativo en la Unión Europea y fuera de sus fronteras, empezando por los países asociados. Se realizarán proyectos piloto de gemelación digital en diversos sectores, como la energía renovable marina, la pesca y la acuicultura, así como el tráfico marino y la seguridad de los puertos.

Para promover otras aplicaciones a través del DTO de ILIAD, los socios crearán el Mercado ILIAD, similar a una tienda de software, que los proveedores utilizarán para distribuir aplicaciones para teléfonos inteligentes, complementos, interfaces, datos en bruto, datos proporcionados por la ciencia ciudadana, información sintetizada y servicios de valor añadido derivados del DTO de ILIAD.

La investigación descrita en este artículo se financió con fondos de la UE. Artículo publicado originalmente en Horizon, la Revista de Investigación e Innovación de la Unión Europea.

Traducción de NewsClips.

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