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JWST flotando sobre un modelo estilizado del sistema solar con un gemelo púrpura debajo.

STEPHANIE ARNETT, VICHHIKA TEP/MIT TECHNOLOGY REVIEW | NASA

Computación

Los gemelos digitales, un instrumento cada vez más útil para la ciencia y la defensa

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Los ingenieros utilizan los modelos de alta fidelidad para supervisar las operaciones, planificar correcciones y solucionar problemas

  • por Sarah Scoles | traducido por
  • 12 Junio, 2024

En enero de 2022, el telescopio espacial James Webb de la NASA (JWST, por sus siglas en inglés), valorado en 10.000 millones de dólares (unos 9.300 millones de euros), se acercaba al final de su viaje de un millón de millas (aproximadamente 1,61 millones de kilómetros) desde la Tierra. Pero alcanzar su punto orbital sería solo una parte de su traicionero viaje. Para prepararse para las observaciones, la nave espacial tenía que desplegarse en una complicada coreografía que, según los cálculos de sus ingenieros, podía fallar de 344 maneras distintas. Un parasol del tamaño de una pista de tenis tenía que desplegarse exactamente de la forma perfecta, terminando como una cometa gigante y brillante bajo el telescopio. Un espejo secundario tenía que colocarse en la posición precisa, apoyándose en tres patas para mantenerse a casi 25 pies (unos 7,6 metros) del espejo principal.

Por último, el espejo principal —con sus 18 piezas hexagonales encajadas como en un panal— tenía que ensamblarse. Tres segmentos de espejo de oro tenían que desplegarse desde cada lado del telescopio, encajando sus bordes contra los doce ya ensamblados. La secuencia tenía que ser perfecta para que el telescopio funcionara como estaba previsto.

"Fue un momento aterrador", dice Karen Casey, directora técnica de la división de Sistemas de Defensa Aérea y Espacial de Raytheon, que construyó el software que controla los movimientos del JWST y ahora se encarga de sus operaciones de vuelo.

Durante los múltiples días de coreografía, los ingenieros de Raytheon observaron cómo se desarrollaban los acontecimientos a medida que lo hacía el telescopio. El telescopio, más allá de la órbita lunar, estaba demasiado lejos para ser visible, incluso con potentes instrumentos. Pero el telescopio enviaba datos a la Tierra en tiempo real y un programa informático los utilizaba casi simultáneamente para crear un vídeo en 3D sobre el desarrollo del proceso. Era como ver una película muy angustiosa.

El vídeo en 3D representaba un "gemelo digital" del complejo telescopio: un modelo informático del instrumento real, basado en la información que este proporcionaba. "Poder verlo fue transformador", afirma Casey.

El equipo observó con tensión, durante los primeros días del JWST, cómo los 344 problemas potenciales no hacían su aparición. Por fin, el JWST estaba en su forma definitiva y tenía el aspecto que debía tener, tanto en el espacio como en la pantalla. Desde entonces, el gemelo digital no ha dejado de actualizarse.

El concepto de construir una réplica a escala real de un equipo tan complicado no era nuevo para Raytheon, en parte debido al trabajo de la empresa en defensa e inteligencia, donde los gemelos digitales son más populares que en astronomía.

Sin embargo, el JWST era en realidad más complicado que muchos de esos sistemas, por lo que los avances que ha hecho posible su gemelo revierten ahora en la vertiente militar del negocio. Es el reverso de una historia más típica, en la que los objetivos de seguridad nacional hacen avanzar a la ciencia. En el espacio convergen tecnologías de defensa y no defensa, afirma Dan Isaacs, director tecnológico del Digital Twin Consortium, un grupo de trabajo profesional, y los gemelos digitales están "en el centro mismo de estos esfuerzos de colaboración".

A medida que la tecnología se hace más común, los investigadores descubren que estos gemelos son, cada vez más, miembros productivos de la sociedad científica: ayudan a los humanos a manejar los instrumentos más complicados del mundo, al tiempo que revelan más cosas sobre el propio mundo y el universo más allá.

800 millones de puntos de datos

El concepto de gemelos digitales fue introducido en 2002 por Michael Grieves, un investigador cuyo trabajo se centraba en los negocios y la manufactura. Sugirió que un modelo digital de un producto, constantemente actualizado con información del mundo real, acompañara al artículo físico a lo largo de su desarrollo.

Pero el término "gemelo digital" procede en realidad de un empleado de la NASA llamado John Vickers, que lo utilizó por primera vez en 2010 como parte de un informe sobre la hoja de ruta tecnológica de la agencia espacial. Hoy, como era de esperar, Grieves dirige el Instituto de Gemelos Digitales y Vickers sigue en la NASA como su principal tecnólogo.

Desde aquellos primeros días, la tecnología ha avanzado, como es habitual. El Internet de las cosas ha proliferado, conectando sensores del mundo real colocados en objetos físicos al Internet etéreo. Hoy en día, esos dispositivos suman más de 15.000 millones, frente a unos meros millones en 2010. La potencia computacional ha seguido aumentando, y la nube —más popular y potente que en la década anterior— permite a los creadores de gemelos digitales ampliar o reducir sus modelos, o crear más clones para experimentar, sin invertir en cantidades obscenas de hardware. Ahora, además, los gemelos digitales pueden incorporar inteligencia artificial y aprendizaje automático para ayudar a dar sentido a la avalancha de datos que llega cada segundo.

A partir de estos ingredientes, Raytheon decidió construir su gemelo del JWST por la misma razón por la que también trabaja en gemelos de defensa: había poco margen para el error. "Se trataba de una misión sin fallos", afirma Casey. El gemelo registra cada día 800 millones de datos sobre su hermano en el mundo real, utilizando todos esos 0 y 1 para crear un vídeo en tiempo real que es más fácil de controlar para los humanos que muchas columnas de números.

El equipo del JWST utiliza el gemelo para supervisar el observatorio y predecir los efectos de cambios como las actualizaciones de software. Para probarlos, los ingenieros utilizan una copia offline del gemelo, cargan cambios hipotéticos y observan lo que ocurre a continuación. El grupo también utiliza una versión offline para formar a los operadores y solucionar problemas en la vida real, cuya naturaleza Casey no quiere identificar. "Las llamamos anomalías", dice.

Ciencia, defensa y más allá

El gemelo digital del JWST no es el primer instrumento de ciencia espacial que tiene un hermano simulado. Un gemelo digital del rover Curiosity ayudó a la NASA a resolver los problemas de calor del robot. En el CERN, el acelerador de partículas europeo, los gemelos digitales ayudan en el desarrollo de detectores y en tareas más mundanas como la supervisión de grúas y sistemas de ventilación. La Agencia Espacial Europea quiere utilizar los datos de observación de la Tierra para crear un gemelo digital del propio planeta.

En el Gran Telescopio Canarias, el mayor telescopio de un solo espejo del mundo, el equipo científico empezó a construir un gemelo hace unos dos años, antes incluso de haber oído el término. Por aquel entonces, Luis Rodríguez, jefe de ingeniería, acudió a Romano Corradi, director del observatorio. "Dijo que debíamos empezar a interconectar cosas", cuenta Corradi. Rodríguez sugirió que podían aprovechar los principios de la industria, donde las máquinas se comunican regularmente entre sí y con los ordenadores, controlan sus propios estados y automatizan las respuestas a esos estados.

El equipo empezó a añadir sensores que transmitían información sobre el telescopio y su entorno. Conocer las condiciones ambientales que rodean a un observatorio es "fundamental para hacer funcionar un telescopio", afirma Corradi. ¿Va a llover, por ejemplo, y cómo afecta la temperatura al enfoque del telescopio?

Una vez que los sensores tuvieron los datos en línea, crearon un modelo en 3D del telescopio que mostraba estos datos visualmente. "La ventaja es muy clara para los trabajadores", dice Rodríguez, refiriéndose a los que manejan el telescopio. "Es más fácil manejar el telescopio. Antes el telescopio era muy, muy difícil porque es muy complejo".

Ahora mismo, el gemelo del Gran Telescopio se limita a ingerir los datos, pero el equipo está trabajando hacia un enfoque más interpretativo, utilizando IA para predecir el comportamiento del instrumento. "Con la información que obtienes en el gemelo digital, haces algo en la entidad real", afirma Corradi. Con el tiempo, esperan tener un "telescopio inteligente" que responda automáticamente a su situación.

Corradi dice que el equipo no se enteró de que lo que estaban construyendo tenía un nombre hasta que asistieron a una conferencia sobre el Internet de las cosas el año pasado. "Vimos que había una comunidad creciente en la industria —y no en la ciencia, sino en la industria— en la que todo el mundo está haciendo estos gemelos digitales", dice.

El concepto se está introduciendo en la ciencia, como demuestran los aceleradores de partículas y las agencias espaciales. Pero en las empresas está más arraigado. "El interés de la industria siempre precede al de la ciencia", afirma Corradi.  Pero cree que proyectos como el suyo seguirán proliferando en la comunidad astronómica en general. Por ejemplo, el grupo que planea el propuesto Telescopio de Treinta Metros, que tendría un espejo primario formado por cientos de segmentos, llamó para solicitar una presentación sobre la tecnología. "Nos anticipamos un poco a lo que ya estaba ocurriendo en la industria", dice Corradi.

A la industria de defensa le encantan los gemelos digitales. La Fuerza Espacial, por ejemplo, utilizó uno para planificar Tetra 5, un experimento para repostar satélites. En 2022, la Fuerza Espacial también adjudicó a Slingshot Aerospace un contrato para crear un gemelo digital del propio espacio, mostrando lo que ocurre en órbita para prepararse ante incidentes como colisiones.

Isaacs cita un ejemplo en el que las Fuerzas Aéreas enviaron un avión retirado a una universidad para que los investigadores pudieran desarrollar un "perfil de fatiga", una especie de mapa de cómo se acumulan las tensiones, esfuerzos y cargas de la aeronave a lo largo del tiempo. Un gemelo, hecho a partir de ese mapa, puede ayudar a identificar las piezas que podrían sustituirse para alargar la vida del avión, o para diseñar un avión mejor en el futuro. Las empresas que se dedican tanto a la defensa como a la ciencia —algo habitual en la industria espacial en particular— tienen así una ventaja, ya que pueden trasladar las innovaciones de un departamento a otro.

El gemelo del JWST, por ejemplo, tendrá cierta relevancia para los proyectos del área de defensa de Raytheon, donde la empresa ya trabaja en gemelos digitales de radares de defensa antimisiles, misiles de crucero lanzados desde el aire y aviones. "Podemos reutilizar partes en otros lugares", afirma Casey. Cualquier satélite que la empresa rastree o al que envíe órdenes "podría beneficiarse de partes de lo que hemos hecho aquí".

Algunas de las herramientas y procesos que Raytheon desarrolló para el telescopio, continúa, "pueden copiarse y pegarse en otros programas". Y de ese modo, el gemelo digital del JWST probablemente tendrá gemelos propios.

Sarah Scoles es periodista científica afincada en Colorado y autora, más recientemente, del libro 'Countdown: The Blinding Future of Nuclear Weapons'.

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