La simulación resuelve problemas a medio camino entre la teoría y el experimento

Hace más de siglo y medio que físicos, ingenieros y matemáticos conocen las ecuaciones que describen el comportamiento de líquidos y gases, y, sin embargo, aún no pueden prever con exactitud cómo se moverá una simple gota de agua. Por ello, ni los más optimistas vaticinan una solución próxima para problemas como el del rendimiento de los combustibles en los coches y aviones, la evolución de los contaminantes en la atmósfera o la predicción del clima a medio plazo. Pero algunos avances sí se han hecho. La gran potencia de las supercomputadoras actuales ha permitido, por ejemplo, aprovechar los ...

Hace más de siglo y medio que físicos, ingenieros y matemáticos conocen las ecuaciones que describen el comportamiento de líquidos y gases, y, sin embargo, aún no pueden prever con exactitud cómo se moverá una simple gota de agua. Por ello, ni los más optimistas vaticinan una solución próxima para problemas como el del rendimiento de los combustibles en los coches y aviones, la evolución de los contaminantes en la atmósfera o la predicción del clima a medio plazo. Pero algunos avances sí 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 cúpula en el supertelescopio Keck 1 -el más grandes del mundo, con espejo principal de 10 metros de diámetro- y del gemelo Keck 2, en construcción.Ha sido sólo uno más de los encargos que se reciben en el Instituto de Estudios Espaciales y Astronáuticos de Tokio, dirigido por Kunio Kuwahara. Allí tienen una de las más potentes computadoras disponibles hoy, un CRAY, y el trabajo de los investigadores consiste en resolver las ya antiguas ecuaciones de dinámica de flujos (de Navier-Stokes) con métodos de cálculo numérico y pronosticar así 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 diseño de la cúpula se modificó en función de nuestras predicciones", señala Kuwahara. Recientemente, en la Universidad Internacional Menéndez Pelayo, en Santander, Kuwahara mostró cómo con modernas técnicas de visualización sus modelos se traducen en bonitas imágenes en movimiento, "muy valiosas para ayudar a interpretar los números".

Diseño de coches

No obstante, la modelización exige conocer mínimamente las condiciones iniciales de un sistema, y por eso "donde más hemos avanzado es en el diseño de coches", afirma Jae Min Hyun, colaborador de Kuwahara. "Los experimentos reales, en túneles 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 qué punto las predicciones de los modelos se ajustan a la realidad?Para Kuwahara, que ha modelizado también la explosión de una estrella supernova, el entorno de un agujero negro y una erupción volcánica, los modelos son "una forma más de aproximarse a los problemas, a medio camino entre la teoría y la experimentación práctica. Las teorías suelen ser demasiado generales, y las observaciones directas, demasiado realistas. La modelización las complementa, y a menudo es hoy incluso la mejor manera de comprender un sistema".

De todas formas, Jae Min recuerda que "en la mayoría de los casos los experimentos han demostrado que la modelización es fiable, aunque, desde luego, hay cuestiones muy difíciles 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 atmósfera o como el combustible de los coches al quemarse en el motor. "Modelizar la combustión es muy complejo. Implica seguir la pista de al menos 600 especies químicas distintas que se producen en los milisegundos que dura el proceso, y que reaccionan además miles de ve ces entre sí", explica el ingeniero de investigador Amable Liñán. El rendimiento del combustible en los coches, recuerda este experto, no supera el 25% totalmente.

"Cada año se queman en todo el planeta 7.000 millones de toneladas de combustible, y por cada mil toneladas se emiten a la atmósfera unos cien kilos de óxido de nitrógeno (un potente contaminante). La transformación de la energía química de los combustibles en energía mecánica es sólo parcial, el resto se desperdicia en forma de calor vertido al medio ambiente", dice Liñán.

Los primeros modelos realistas de combustión no tienen más de 10 años, y con ellos "se trata de aproximarse al rendimiento óptimo. Pero aunque la potencia de los ordenadores aumente, siempre tendremos limitaciones", continúa Lifián. "Es como si tuviéramos que seguir la trayectoria en el tiempo de un millón de puntos que se mueven de forma aleatoria".