Le strutture evolute della NASA alimentano nuove missioni spaziali

Dai buchi neri primordiali e i pianeti canaglia alle supernove e all'antimateria, lo spazio è pieno di fenomeni affascinanti. Per il terrestre medio, tuttavia, uno degli aspetti più affascinanti dello spazio è forse uno dei meno misteriosi: l’assenza di gravità.

Tecnicamente, la gravità esiste ancora nello spazio. Gli astronauti però non ne avvertono gli effetti perché diventa più debole con la distanza. Più ci si allontana dalla Terra, più ci si allontana dalla sua attrazione gravitazionale.

Nel caso della Stazione Spaziale Internazionale, che ha intrattenuto molti appassionati di spazio con immagini di astronauti che fanno una capriola mentre catturano cibo galleggiante con la bocca aperta, la sensazione di gravità zero deriva dal fatto che i suoi occupanti sono in caduta libera: , il suo equipaggio e tutti gli oggetti al suo interno stanno cadendo verso la Terra dallo spazio alla stessa velocità, il che dà loro l'impressione di fluttuare. È possibile orbitare attorno al pianeta senza colpirlo effettivamente grazie all'elevata velocità con cui viaggia la stazione spaziale, che le conferisce un percorso curvo che corrisponde esattamente alla curvatura della Terra.

Se ci pensi, questa ossessione per l’assenza di gravità è piuttosto ironica. Sebbene gli oggetti nello spazio sembrino esistere senza tener conto della fisica terrestre, gli ingegneri meccanici sanno che la massa è in realtà una delle considerazioni più importanti quando si progetta un veicolo spaziale.

“La massa equivale al costo nel mondo dei voli spaziali”, afferma Alex Miller, capo ingegnere meccanico presso Newton | Ingegneria e sviluppo prodotto.

I veicoli spaziali e i loro componenti devono essere leggeri per garantire lanci convenienti, efficienza energetica e di carburante e integrità strutturale, per non parlare della massima strumentazione per le capacità di missione.

Ma ridurre la massa non è un compito semplice. Per rendere più semplice e veloce la progettazione di veicoli spaziali leggeri, la NASA e aziende come Newton si stanno rivolgendo a uno strumento unico basato sull’intelligenza artificiale (AI): la progettazione generativa.

La progettazione generativa si basa sulla fisica e su una serie di algoritmi di ottimizzazione sensibili alla produzione che lavorano insieme per generare più soluzioni che soddisfano la definizione del problema e i requisiti specificati dall'utente. I parametri che gli algoritmi inseriscono sono requisiti ingegneristici dettagliati e i prodotti che producono sono progetti finiti che l’ingegnere di ricerca della NASA Ryan McClelland chiama “strutture evolute”.

"Sembrano in qualche modo alieni e strani, ma una volta che li vedi in funzione, ha davvero senso", ha detto McClelland delle strutture evolute in un'intervista del 2023 con la NASA.

Le strutture evolute sono “aliene e strane” perché l’intelligenza artificiale non ha nozioni predeterminate su come dovrebbe apparire qualcosa, come fa un ingegnere umano. Invece, gli algoritmi risolvono i problemi per trovare il modo migliore e più efficiente per soddisfare i requisiti di progettazione. Per fare ciò, spesso usano geometrie che sarebbero quasi impossibili da contrastare per gli esseri umani, il che crea forme organiche che sarebbero improbabili da concepire per la maggior parte degli esseri umani.

"Ciò che mi ha sorpreso di più delle strutture progettate in modo generativo è il modo in cui i progetti risultanti sono sia nuovi, in quanto la maggior parte degli esseri umani non ci penserebbe, sia ovvi, in quanto una volta che vedo la soluzione ha un senso intuitivo", afferma McClelland.

Il processo di progettazione generativa è semplice e veloce. Innanzitutto, gli ingegneri umani specificano i requisiti tecnici come il carico che la struttura finita dovrà sopportare e a quali forze sarà esposta nello spazio. Quindi, inseriscono i requisiti nel software che può produrre una miriade di iterazioni di progettazione nel giro di poche ore.

"L'utente inserisce i requisiti nel sistema, quindi l'intelligenza artificiale elabora il progetto, quindi lo testa tramite l'analisi degli elementi finiti per assicurarsi che funzioni per verificare i requisiti", ha spiegato McClelland in un episodio di Small Steps, Giant della NASA. Podcast dei salti. "E poi esegue anche una simulazione di fabbricazione per assicurarsi che possa essere fabbricato."

Mentre gli esseri umani possono eseguire un’iterazione di progettazione ogni settimana, osserva McClelland, l’intelligenza artificiale può eseguire un’iterazione di progettazione in pochi minuti. "Si ottengono molti più cicli di iterazione", afferma. "E grazie al numero maggiore di cicli di iterazione, si ottengono progetti ottimali molto, molto più velocemente utilizzando questo processo di strutture evolute."