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La supercomputación apunta a una combustión más limpia

Hola otra vez. Te habla Simón Sánchez y esta vez vamos a hablar sobre La supercomputación apunta a una combustión más limpia

Las supercomputadoras de clase ejecutiva, como el Departamento de Sistemas de Energía, son fundamentales para abordar los desafíos del siglo XXI. Un equipo de científicos y matemáticos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE está utilizando estas poderosas calculadoras de números junto con algoritmos sofisticados para crear tecnologías de combustión más limpias.

Estados Unidos depende de la quema de combustibles fósiles para más del 80% de sus necesidades energéticas. El motor económico nacional y el nivel de vida están ligados a este proceso de combustión para impulsar todos los medios de transporte y satisfacer las necesidades energéticas domésticas. Pero la quema de combustibles fósiles también es la principal fuente de cambio climático antropogénico, por lo que los avances en una combustión más limpia son fundamentales para nuestro futuro.

A pesar de la prevalencia de la combustión, el proceso químico no se comprende muy bien, pero está cambiando gracias en parte al trabajo de los investigadores de Berkeley y otros laboratorios del DOE. Los matemáticos aplicados y los científicos de combustión de Berkeley están utilizando supercomputadoras para modelar este complejo proceso con la intención de desarrollar dispositivos más eficientes y limpios.

Un reciente artículo en el Berkeley Lab de Jon Bashor analiza una de esas tecnologías, llamada quemador de baja turbulencia, que fue desarrollada por Robert Cheng en la división de tecnologías de energía ambiental de Berkeley Lab. El dispositivo imparte una rotación suave a la mezcla de aire y combustible, lo que provoca que se propaga y se quema a menor temperatura que los quemadores convencionales. Las temperaturas de llama más bajas están asociadas con una mayor eficiencia y niveles reducidos de óxidos de nitrógeno (NOx) y gases de efecto invernadero. La reducción de los compuestos de NOx es un objetivo valioso, ya que se han relacionado con enfisema, bronquitis, asma y enfermedades cardíacas.

El artículo explica la dificultad de simular dispositivos de combustión a escala prácticos, como el quemador de baja turbulencia. «El combustible es a menudo turbulento, el proceso de combustión puede involucrar a cientos de especies y miles de reacciones químicas, y los procesos involucrados pueden extenderse desde milisegundos a minutos y micrones a metros», escribe Bashor.

Hace apenas unos años, las herramientas disponibles para este propósito no podían soportar la complejidad necesaria. Luego, los científicos y matemáticos de CCSE han desarrollado nuevas herramientas de software y algoritmos que reducen los costos computacionales para las simulaciones de combustión en un factor de 10,000. Al mismo tiempo, el número de variables utilizadas para representar la solución ha aumentado de cientos de miles a más de mil millones. El resultado es que ahora es posible producir simulaciones 3D con un notable nivel de complejidad y fidelidad.

Las nuevas herramientas de software se basan en Adaptive Mesh Refinement (AMR), un sistema basado en cuadrículas que raciona el cálculo al dirigir la máxima potencia de procesamiento donde más se necesita.

Ahora el equipo de investigación se centra en adaptar el diseño del dispositivo para quemar hidrógeno, que si bien no es un recurso renovable como se obtiene actualmente, no libera por sí solo gases de efecto invernadero. Sin embargo, la quema de hidrógeno aún libera una cantidad muy baja de NOx y el proyecto busca reducirlo aún más. El equipo está utilizando las supercomputadoras National Energy Research Scientific Computing (NERSC) del DOE para ayudar a lograr este objetivo.

«Para desarrollar sistemas limpios y energéticamente eficientes, necesitamos un circuito de retroalimentación continuo desde la llama hasta el laboratorio y viceversa», dijo Cheng. «Este es el eslabón perdido proporcionado por el cálculo al NERSC».

La ciencia de la combustión se ha beneficiado de un mayor poder de procesamiento y del desarrollo de mejores algoritmos. Además del trabajo realizado en el laboratorio de Berkeley, hay proyectos similares en el Laboratorio Nacional Argonne (dirigido por científicos de General Electric) y en los Laboratorios Nacionales Sandia (utilizando una supercomputadora en el Laboratorio Nacional Oak Ridge). Todos estos equipos están estudiando la combustión con la intención de reducir el consumo de combustible y los contaminantes.

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