Simulaciones y supercomputación calculan un millón de órbitas cislunares

Las órbitas cislunares, llamadas espacio cislunar, son cruciales para la exploración espacial, el avance científico y la seguridad nacional. Sin embargo, determinar con exactitud dónde colocarlas en una órbita estable puede ser un desafío enorme y computacionalmente costoso.

En una base de datos de acceso abierto y con código disponible públicamente, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han simulado y publicado un millón de órbitas en el espacio cislunar en un artículo publicado en las Notas de Investigación de la AAS. Este esfuerzo, posible gracias a los recursos de supercomputación del Laboratorio, proporciona datos valiosos que pueden utilizarse para planificar misiones, predecir cómo pequeñas perturbaciones podrían cambiar las órbitas y monitorizar el tráfico espacial. El software se ha descrito en un artículo publicado en el Journal of Open Source Software.

Para empezar, el paquete Python Space Situational Awareness considera diversas condiciones iniciales para una órbita, como su elipse e inclinación y su distancia de la Tierra. «El objetivo era no dar ninguna suposición sobre los tipos de órbitas que queremos», declaró Travis Yeager, autor y científico del LLNL. Intentamos analizarlo fingiendo no saber nada sobre este espacio.

Desde cada punto de partida, con una posición y velocidad definidas, la simulación avanza en el tiempo en fragmentos discretos. Dado que se trata de un problema de N cuerpos que involucra la Tierra, la Luna, el Sol, las fuerzas radiativas y la nave espacial, las complejas interacciones entre todos los componentes implican que no existe una solución exacta para la evolución del sistema.

«Si quieres saber dónde estará un satélite dentro de una semana, no existe una ecuación que te indique dónde estará», dijo Yeager. «Hay que avanzar poco a poco».

Al considerar las fuerzas gravitacionales de la Tierra y la Luna, los autores también tuvieron en cuenta las diferencias entre cada cuerpo.

«La Tierra no es una fuente puntual. De hecho, es una masa difusa. Hay menor gravedad sobre Canadá que sobre el Océano Atlántico», dijo Yeager. Si no tuviéramos en cuenta la formación de burbujas dentro de la Tierra para los satélites GPS, no podríamos tener GPS a nivel de metro. Ni siquiera sabrías por qué carretera estás conduciendo.

Para generar el millón de órbitas con una vida útil de seis años, se necesitaron 1,6 millones de horas de CPU, el equivalente a más de 182 años en una sola computadora. Una vez completado el proceso, el equipo ejecutó sus simulaciones en tan solo tres días en las supercomputadoras Quartz y Ruby del LLNL.

«Lo interesante de nuestro código es que es paralelizable, a diferencia de otros códigos comerciales», afirmó Denvir Higgins, autor y científico del LLNL. «Podemos distribuir las tareas entre los nodos».

De las órbitas resultantes, el 54 % se mantuvo estable durante al menos un año y el 9,7 % durante seis años. Pero incluso las órbitas inestables de esta base de datos abierta pueden proporcionar información valiosa.

Desde la perspectiva de la ciencia de datos, este es un conjunto de datos interesante. Cuando se cuenta con un millón de órbitas, se puede obtener un análisis muy completo mediante aplicaciones de aprendizaje automático —afirmó Higgins—. Se puede intentar predecir la vida útil de la órbita, su estabilidad o detectar anomalías para ver si una órbita se mueve de forma extraña.

Al analizar los datos orbitales, los investigadores podrían identificar las intersecciones más transitadas o las posiciones más útiles para que un satélite monitorice y dirija el tráfico. Esto podría ser especialmente útil a medida que los países continúan lanzando satélites sin coordinación mundial.

El equipo pretende abordar algunas de estas cuestiones por sí mismo, pero destacó que el código y los datos disponibles públicamente permiten que otros realicen lanzamientos junto con ellos.

Con información de Research Notes of the AAS