SpaceX simuliert Raketenantriebe mithilfe von NVIDIA-GPUs

SpaceX hat große Pläne, wenn es um die Eroberung des Weltraums geht. Inzwischen bietet man kommerzielle Versorgungsflüge zu internationalen Raumstation sowie Satellitenstarts auf verschiedensten Umlaufbahnen an. Anstatt alte Antriebe in den eigenen Raketen zu verwenden, entwickelt und baut SpaceX seine Raketenantriebe selbst.

Eines der größten Ziele von SpaceX ist der Mars. Diesen zu erreichen, stellt besondere Herausforderungen an die Haltbarkeit und den zur Verfügung stehenden Schub der Antriebe. Um den Treibstoff für den Rückweg nicht schon auf dem Hinweg mitführen zu müssen, wird das Methan auf dem Mars gewonnen und in einem möglichst effizienten Antrieb verwendet. Bei der Entwicklung des Antriebs spielt die Simulation der Verbrennungsprozesses eine wichtige Rolle. Eine Simulation reduziert die echten Tests und bietet einen Blick in das Innere des Antriebs, der mit Sensoren nicht möglich ist.

Eine Rolle spielen dabei auch die Zeiträume über die eine Simulation ausgeführt werden müssen. Schwingungen im System reichen von wenigen Nanometern bis hin zu Zentimetern – abhängig beim Bauteil des Antriebs. In einer Gesamtsimulation muss die Spanne an Schwingungen aber abgebildet werden. Im Verbrennungsraum selbst sollen Wirbel der Gase simuliert werden. Auch hier müssen Kompromisse zwischen Genauigkeit und dem Gesamtüberblick in einer Kammer mit der Länge von einem Meter gemacht werden. Wird das Verhalten des Gases in der Auflösung von Nanometern über die komplette Verbrennungskammer gemacht, fallen schnell Daten in Höhe von Petabyte an.

Messbereiche müssen also eingeschränkt werden, ohne das dabei potenziell wichtige Informationen verloren gehen. Eine strukturiertes Messgitter kommt also eventuell auf eine Unmenge an Daten, während der unstrukturiertes Messgitter eventuell Informationen missen lässt. Adaptive Grid, also ein Messgitter das sich den Bedürfnissen anpasst, könnte die Lösung des Problems sein. Das System selbst entscheidet in einer Art Kompression, welche Bereich engmaschig simuliert werden müssen und welche nicht. Diese Berechnung der Kompression wird nicht durch den Nutzer definiert, sondern von der Simulation abhängig von den Messdaten selbst erstellt.

Noch einmal zurück zum Beispiel der Brennkammer, die SpaceX entwickelt. Bestimmte Bereiche der Brennkammer verhalten sich bei der Physik der darin befindlichen Gase recht einfach und linear. Andere Bereiche wiederum sind durchsetzt von Turbolenzen und müssen genauer betrachtet werden.

Neben der Simulation von Temperaturen und Drücken spielt auch die chemische Verarbeitung der Brennstoffe innerhalb der Brennkammer eine wichtige Rolle. Methan und Sauerstoff verbinden sich zu 53 Molekülen und Molekülketten aus 325 unterschiedlichen Reaktionen. Auch diese werden auf der GPU berechnet - parallel zur Simulation der oben genannten Temperaturen und Drücke.

Was früher die Rechenleistung eines kompletten Rechenzentrums in Anspruch nahm, wird von SpaceX nun auf einer einzigen Grafikkarte bzw. in einer Workstation berechnet.