Gli ingegneri utilizzano i modelli ad alta fedeltà per monitorare le operazioni, pianificare le correzioni e risolvere i problemi.
Nel gennaio 2022, il telescopio spaziale James Webb della NASA, costato 10 miliardi di dollari, si stava avvicinando alla fine del suo viaggio di un milione di chilometri dalla Terra. Ma il raggiungimento del suo punto orbitale sarebbe stato solo una parte del suo insidioso viaggio. Per prepararsi alle osservazioni, il veicolo spaziale ha dovuto dispiegarsi in una complicata coreografia che, secondo i calcoli dei suoi ingegneri, aveva 344 modi diversi per fallire. Un parasole grande come un campo da tennis doveva dispiegarsi esattamente nel modo giusto, finendo come un gigantesco aquilone lucido sotto il telescopio. Uno specchio secondario doveva oscillare verso il basso nella posizione perfetta, affidandosi a tre gambe che lo tenevano a quasi 6 metri dallo specchio principale.
Infine, lo specchio principale, con i suoi 18 pezzi esagonali incastrati tra loro come in un nido d’ape, doveva assemblarsi da solo. Tre segmenti di specchio d’oro dovevano dispiegarsi da ciascun lato del telescopio, intagliando i loro bordi contro i 12 già montati. La sequenza doveva essere perfetta perché il telescopio funzionasse come previsto.
“È stato un momento spaventoso”, dice Karen Casey, direttore tecnico della divisione Air and Space Defense Systems di Raytheon, che ha costruito il software che controlla i movimenti del JWST ed è ora responsabile delle sue operazioni di volo.
Nel corso dei vari giorni di coreografia, gli ingegneri di Raytheon hanno osservato lo svolgersi degli eventi come il telescopio. Il telescopio, al di là dell’orbita lunare, era troppo lontano per essere visibile, anche con strumenti potenti. Ma il telescopio trasmetteva i dati alla Terra in tempo reale e il software li utilizzava quasi simultaneamente per creare un video 3D di come si svolgeva il processo, mentre si svolgeva. Era come guardare un film molto snervante.
Il video 3D rappresentava un “gemello digitale” del complesso telescopio: un modello al computer dello strumento reale, basato sulle informazioni fornite dallo strumento stesso. “È stata una trasformazione poterlo vedere”, dice Casey.
Durante i primi giorni di vita del JWST, il team ha assistito con tensione alla mancata comparsa dei 344 potenziali problemi. Alla fine, JWST era nella sua forma definitiva e appariva come avrebbe dovuto nello spazio e sullo schermo. Da allora il gemello digitale si è sempre aggiornato.
L’idea di costruire una replica in scala reale di un oggetto così complicato non era nuova per Raytheon, in parte a causa del lavoro dell’azienda nel settore della difesa e dell’intelligence, dove i gemelli digitali sono più popolari che in astronomia.
Il JWST, tuttavia, era in realtà più complicato di molti di questi sistemi, quindi i progressi che il suo gemello ha reso possibili ora confluiranno nel settore militare. È l’inverso di una storia più tipica, in cui gli obiettivi di sicurezza nazionale spingono la scienza in avanti. Lo spazio è il luogo in cui convergono le tecnologie della difesa e della non difesa, afferma Dan Isaacs, chief technology officer del Digital Twin Consortium, un gruppo di lavoro professionale, e i gemelli digitali sono “al centro di questi sforzi di collaborazione”.
Man mano che la tecnologia diventa più comune, i ricercatori trovano sempre più spesso che questi gemelli siano membri produttivi della società scientifica: aiutano gli esseri umani a gestire gli strumenti più complicati del mondo, rivelando al contempo maggiori informazioni sul mondo stesso e sull’universo che lo circonda.
800 milioni di punti dati
Il concetto di gemello digitale è stato introdotto nel 2002 da Michael Grieves, un ricercatore il cui lavoro si è concentrato sulle imprese e sulla produzione. Egli suggerì che un modello digitale di un prodotto, costantemente aggiornato con informazioni provenienti dal mondo reale, avrebbe dovuto accompagnare l’oggetto fisico durante il suo sviluppo.
Ma il termine “gemello digitale” in realtà proviene da un dipendente della NASA di nome John Vickers, che lo ha usato per la prima volta nel 2010 come parte di un rapporto sulla road map tecnologica dell’agenzia spaziale. Oggi, forse non a caso, Grieves è a capo del Digital Twins Institute e Vickers è ancora alla NASA, come principale tecnologo.
Da quei primi giorni, la tecnologia è progredita, come è solito fare. L’Internet delle cose ha proliferato, collegando sensori del mondo reale attaccati a oggetti fisici all’Internet etereo. Oggi questi dispositivi sono più di 15 miliardi, rispetto ai pochi milioni del 2010. La potenza di calcolo ha continuato a crescere e il cloud – più diffuso e potente di quanto non fosse nel decennio precedente – consente ai creatori di gemelli digitali di scalare i loro modelli verso l’alto o verso il basso, o di creare più cloni per la sperimentazione, senza investire in quantità oscene di hardware. Ora, inoltre, i gemelli digitali possono incorporare l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico per aiutare a dare un senso alla marea di dati che arrivano ogni secondo.
A partire da questi ingredienti, Raytheon ha deciso di costruire il gemello del JWST per lo stesso motivo per cui lavora anche sui gemelli della difesa: c’era poco spazio per gli errori. “Questa era una missione senza errori”, dice Casey. Il gemello traccia ogni giorno 800 milioni di punti di dati sul suo fratello reale, utilizzando tutti questi 0 e 1 per creare un video in tempo reale che è più facile da monitorare per gli esseri umani rispetto a molte colonne di numeri.
Il team del JWST utilizza il gemello per monitorare l’osservatorio e anche per prevedere gli effetti di modifiche come gli aggiornamenti del software. Per testare questi ultimi, gli ingegneri utilizzano una copia offline del gemello, caricano ipotetiche modifiche e poi osservano cosa succede. Il gruppo utilizza anche una versione offline per addestrare gli operatori e per risolvere i problemi di IRL, la cui natura Casey non vuole identificare. “Le chiamiamo anomalie”, dice.
Scienza, difesa e oltre
Il gemello digitale di JWST non è il primo strumento di scienza spaziale ad avere un fratello simulato. Un gemello digitale del rover Curiosity ha aiutato la NASA a risolvere i problemi di calore del robot. Al CERN, l’acceleratore di particelle europeo, i gemelli digitali aiutano nello sviluppo dei rivelatori e in compiti più banali come il monitoraggio delle gru e dei sistemi di ventilazione. L’Agenzia Spaziale Europea vuole utilizzare i dati di osservazione della Terra per creare un gemello digitale del pianeta stesso.
Al Gran Telescopio Canarias, il più grande telescopio a singolo specchio del mondo, il team scientifico ha iniziato a costruire un gemello circa due anni fa, prima ancora di sentire il termine. All’epoca, Luis Rodríguez, responsabile dell’ingegneria, si rivolse a Romano Corradi, direttore dell’osservatorio. “Disse che avremmo dovuto iniziare a interconnettere le cose”, racconta Corradi. Rodríguez suggerì che si potevano prendere spunto dai principi dell’industria, dove le macchine comunicano regolarmente tra loro e con i computer, monitorano i propri stati e automatizzano le risposte a tali stati.
Il team ha iniziato ad aggiungere sensori che trasmettevano informazioni sul telescopio e sul suo ambiente. Capire le condizioni ambientali intorno a un osservatorio è “fondamentale per far funzionare un telescopio”, dice Corradi. Sta per piovere, per esempio, e in che modo la temperatura influisce sulla messa a fuoco del telescopio?
Dopo aver messo in linea i sensori con i dati, hanno creato un modello 3D del telescopio che rendeva visivamente questi fatti. “Il vantaggio è molto chiaro per i lavoratori”, dice Rodríguez, riferendosi a coloro che operano nel telescopio. “È più facile gestire il telescopio. In passato il telescopio era molto, molto difficile perché molto complesso”.
Al momento, il gemello del Gran Telescopio si limita a ingerire i dati, ma il team sta lavorando per un approccio più interpretativo, utilizzando l’intelligenza artificiale per prevedere il comportamento dello strumento. “Con le informazioni ottenute nel gemello digitale, si fa qualcosa nell’entità reale”, dice Corradi. Alla fine si spera di avere un “telescopio intelligente” che risponda automaticamente alla sua situazione.
Corradi dice che il team non ha scoperto che ciò che stava costruendo aveva un nome finché non è andato a una conferenza sull’Internet delle cose l’anno scorso. “Abbiamo visto che c’era una comunità in crescita nell’industria – e non nella scienza, nell’industria – dove tutti ora fanno questi gemelli digitali”, dice.
Il concetto si sta naturalmente insinuando nella scienza, come dimostrano gli acceleratori di particelle e le agenzie spaziali. Ma è ancora più radicato nelle aziende. “L’interesse dell’industria precede sempre quello della scienza”, dice Corradi. Ma pensa che progetti come il loro continueranno a proliferare nella più ampia comunità astronomica. Per esempio, il gruppo che sta progettando il proposto telescopio di trenta metri, che avrebbe uno specchio primario composto da centinaia di segmenti, ha chiamato per chiedere una presentazione della tecnologia. “Abbiamo semplicemente anticipato un po’ di quello che stava già accadendo nel settore”, dice Corradi.
L’industria della difesa ama molto i gemelli digitali. La Space Force, ad esempio, ne ha utilizzato uno per pianificare Tetra 5, un esperimento di rifornimento dei satelliti. Nel 2022, la Space Force ha anche assegnato a Slingshot Aerospace un contratto per creare un gemello digitale dello spazio stesso, mostrando ciò che accade in orbita per prepararsi a incidenti come le collisioni.
Isaacs cita un esempio in cui l’Aeronautica Militare ha inviato un aereo in pensione a un’università affinché i ricercatori potessero sviluppare un “profilo di fatica”, una sorta di mappa di come le sollecitazioni, gli sforzi e i carichi dell’aereo si sommano nel tempo. Un gemello, ricavato da questa mappa, può aiutare a identificare le parti che potrebbero essere sostituite per prolungare la vita dell’aereo o per progettare un aereo migliore in futuro. Le aziende che lavorano sia nel settore della difesa che in quello scientifico, in particolare nell’industria spaziale, hanno un vantaggio: possono trasferire le innovazioni da un dipartimento all’altro.
Il gemello di JWST, ad esempio, avrà una certa rilevanza per i progetti di Raytheon nel settore della difesa, dove l’azienda lavora già sui gemelli digitali dei radar di difesa missilistica, dei missili da crociera lanciati in aria e degli aerei. “Possiamo riutilizzarne alcune parti in altri ambiti”, afferma Casey. Qualsiasi satellite che l’azienda traccia o a cui invia comandi “potrebbe beneficiare di parti di ciò che abbiamo fatto qui”.
Alcuni degli strumenti e dei processi sviluppati da Raytheon per il telescopio, continua, “possono essere copiati in altri programmi”. In questo modo, il gemello digitale del JWST avrà probabilmente dei gemelli a sua volta.
Sarah Scoles è una giornalista scientifica con sede in Colorado e autrice, recentemente, del libro Countdown: The Blinding Future of Nuclear Weapons.
