À medida que as mudanças climáticas globais aceleram, encontrar e proteger a energia limpa é um desafio crucial para muitos pesquisadores, organizações e governos.
A Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido (UKAEA – UK Atomic Energy Authority), por meio de um projeto de avaliação da Universidade de Manchester, vem testando a plataforma de simulação NVIDIA Omniverse para acelerar o design e o desenvolvimento de uma usina de fusão em escala completa que pode colocar energia limpa na rede nos próximos anos.
Nas últimas décadas, os cientistas testaram maneiras de criar energia de fusão, que produz zero carbono e baixa radioatividade. Essa tecnologia poderia fornecer energia limpa, segura e acessível quase ilimitada para atender à crescente demanda mundial.
A fusão é o princípio de que a energia pode ser liberada combinando núcleos atômicos. Mas a energia de fusão ainda não foi dimensionada com sucesso para produção devido às altas necessidades de entrada de energia e ao comportamento imprevisível da reação de fusão.
A reação de fusão alimenta o Sol, onde pressões gravitacionais maciças permitem que a fusão aconteça naturalmente em temperaturas em torno de 27 milhões de graus Fahrenheit. Mas a Terra não tem a mesma pressão gravitacional que o Sol, e isso significa que as temperaturas para produzir a fusão precisam ser muito maiores, acima de 180 milhões de graus.
Para replicar a potência do Sol na Terra, pesquisadores e engenheiros estão usando os últimos avanços em ciência de dados e computação de extrema escala para desenvolver designs para usinas de fusão. Com o NVIDIA Omniverse, os pesquisadores poderiam potencialmente construir um digital twin de uma usina totalmente funcional, ajudando a garantir que os designs mais eficientes sejam selecionados para a construção.
Acelerando o Design, a Simulação e a Colaboração em Tempo Real
Criar um digital twin que represente com precisão todos os componentes de uma usina, o plasma e os sistemas de controle e manutenção é um grande desafio, e que pode se beneficiar muito da AI, da computação de GPU de exoescala e de software de simulação fisicamente preciso.
Tudo começa com o design de uma usina de fusão, que requer um grande número de elementos e contribuições de grandes equipes de especialistas em engenharia, design e pesquisa durante todo o processo. “Há muitos componentes diferentes, e temos que considerar muitas áreas diferentes da física e da engenharia”, disse Lee Margetts, presidente de engenharia digital para fusão nuclear da UKAEA na Universidade de Manchester. “Se fizermos uma mudança de design em um sistema, isso repercutirá em outros sistemas.”
Especialistas de várias áreas estão envolvidos no projeto. Cada membro da equipe usa diferentes aplicações de design assistidas por computador ou ferramentas de simulação, e o trabalho de um especialista de uma área depende dos dados de pessoas que trabalham em outras áreas.
A equipe da UKAEA está explorando o Omniverse para ajudá-los a trabalhar juntos em um ambiente de simulação em tempo real, para que possam ver o design de toda a máquina em vez de apenas subcomponentes individuais.
O Omniverse tem sido fundamental para manter todas essas partes móveis em sincronia. Ao permitir que todas as ferramentas e aplicações se conectem, o Omniverse possibilita que os engenheiros trabalhando no design da usina colaborem simultaneamente a partir de uma única fonte de verdade.
“Podemos ver três engenheiros diferentes, de três locais diferentes, trabalhando em três componentes diferentes de uma usina em três pacotes diferentes”, disse Muhammad Omer, um pesquisador do projeto.
Omer explicou que, ao experimentar o Omniverse, a equipe alcançou o fotorrealismo nos designs de usinas usando as habilidades principais da plataforma para importar dados 3D de fidelidade total. Eles também puderam ver em tempo real com o RTX Renderer, o que facilitou a comparação de diferentes opções de design para componentes.
A simulação de plasma de fusão também é um desafio. As equipes desenvolveram extensões do Omniverse baseadas em Python com o Kit Omniverse para conectar e ingerir dados do software de simulação do setor, o Monte Carlo Neutronics Code Geant4. Isso permite simular o transporte de nêutrons no núcleo da usina, que é o que transporta a energia para fora da usina.
Eles também construíram extensões do Omniverse para visualizar o código de simulação de plasma JOREK, que simula emissões de luz visíveis, dando aos pesquisadores insights do estado do plasma. Os cientistas começarão a explorar o framework de AI para a física NVIDIA Modulus para usar com os dados existentes de simulação para desenvolver modelos de AI substitutos para acelerar as simulações de fusão de plasma.
Usando AI para Otimizar Designs e Aprimorar Digital Twins
Além de ajudar projetar, operar e controlar a usina, o Omniverse pode auxiliar no treinamento de futuros sistemas de controle e manutenção robóticos impulsionados ou aprimorados por AI. Esses sistemas serão essenciais para a manutenção de plantas no ambiente de radiação da usina.
Usando o Omniverse Replicator, um kit de desenvolvimento de software para a criação de ferramentas e conjuntos de dados personalizados de geração de dados sintéticos, os pesquisadores podem gerar grandes quantidades de dados sintéticos fisicamente precisos da usina e do comportamento do plasma para treinar sistemas robóticos. Aprendendo em simulações, os robôs podem lidar corretamente com as tarefas de forma mais precisa no mundo real, melhorando a manutenção preditiva e reduzindo o tempo de inatividade.
No futuro, os modelos de sensores poderão fazer livestreaming de dados observacionais para o digital twin do Omniverse, mantendo o gêmeo virtual sincronizado com o estado físico da usina. Os pesquisadores poderão explorar vários cenários hipotéticos testando primeiro o gêmeo virtual antes de implementar alterações na usina física.
No geral, Margetts e a equipe da UKAEA viram muitas oportunidades e vantagens únicas em usar o Omniverse para criar digital twins para usinas de fusão. O Omniverse possibilita a criação de uma plataforma em tempo real que os pesquisadores podem usar para desenvolver tecnologias inéditas para usinas. A plataforma também permite que os engenheiros trabalhem juntos perfeitamente nos designs de usinas. Além disso, as equipes podem acessar ferramentas de AI integradas que permitirão aos usuários otimizar as usinas futuras.
“Estamos muito satisfeitos com o que vimos. Acreditamos que ela tem muito potencial como uma plataforma para a engenharia digital”, afirmou Margetts.
Assista à demonstração e saiba mais sobre o NVIDIA Omniverse.
Imagem em destaque cortesia da Brigantium Engineering and Bentley Systems.