Modelos computacionais ajudarão a aumentar a eficiência da fonte de luz síncrotron
Uma equipe coordenada pelos pesquisadores Euclides Mesquita e Josué Labaki, da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP, está cada vez mais próxima de resolver um problema ainda em aberto na engenharia: como simular em computador os efeitos de vibrações microscópicas nas fundações de grandes edifícios.
A motivação para resolver o problema é a construção do Sirius, um dos mais avançados laboratórios de fontes de luz síncrotron do mundo, que será concluída até o final do ano. O funcionamento do laboratório será extremamente sensível a vibrações mecânicas. Os pesquisadores esperam que os cálculos de seus modelos, obtidos em simulações geradas pelos supercomputadores do CEPID CCES-eScience, na UNICAMP, possam ajudar a aumentar a eficiência do Sirius.
O Sirius é um prédio circular no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas, São Paulo. Seu interior abrigará poderosos aceleradores de partículas. Feixes de elétrons dando milhões de voltas por segundo no circuito circular de aceleradores produzirão uma luz de brilho intenso, a chamada radiação síncrotron. Pesquisadores das mais diversas áreas, da medicina à nanotecnologia, utilizarão essa luz para analisar materiais e reações químicas em nível molecular ou atômico, gerando imagens e vídeos que podem levar a novas descobertas e invenções.
Mas para funcionar corretamente, a maquinaria delicada do Sirius deve permanecer o mais isolada possível de vibrações mecânicas transmitidas pelo solo, geradas pelas mais variadas fontes, como as provocadas pela passagem de caminhões na vizinhança do prédio ou por ocasionais tremores de terra. Embora os engenheiros envolvidos na construção do prédio estejam fazendo o possível para isolar o equipamento, é possível que fontes de vibração ainda desconhecidas possam causar problemas ao Sirius no futuro.
“A potência da luz produzida pelo Sirius é proporcional ao quão estreito é seu feixe de elétrons”, explica Labaki. “Vibrações da ordem de 4 micrômetros, um décimo da espessura de um fio de cabelo, podem alterar as órbitas dos elétrons, dispersando o feixe.”
O desafio de descrever os efeitos de vibrações microscópicas atravessando um prédio circular com cerca de 68 mil metros quadrados, o equivalente a um estádio de futebol, é um problema de engenharia ainda em aberto. “Sabemos como projetar grandes estruturas aonde pequenas vibrações não são um problema”, diz Labaki. “Também sabemos como projetar fundações de pequeno porte sensíveis a vibrações. Ainda há, porém, muito o que ser estudado sobre a junção dos dois problemas.”
O trabalho começou em 2010, quando Labaki ainda era aluno de doutorado de Mesquita, um especialista em modelos da propagação de ondas em estruturas em contato com o solo.
Primeiro, os pesquisadores modelaram a placa circular em contato com a superfície do solo, que serve de fundação para o edifício do Sirius. Estudaram como uma onda se propaga do solo para a fundação e vice-versa. Avançaram em seguida para modelar as estacas fincadas no solo que suportam a placa circular do Sirius. “Modelamos primeiro uma estaca sozinha e agora estamos trabalhando em modelos de grupos de várias estacas”, conta Labaki. “A placa circular do Sirius é sustentada por 1230 estacas.”
Resolver esses modelos matemáticos exige uma quantidade de cálculos complexos muito além da capacidade de um computador comum. Para resolver todos os cálculos necessários para simular a propagação das ondas em seus modelos, os pesquisadores desenvolveram programas de computação paralela em unidades de processamento gráfico (GPUs). As técnicas e simulações foram testadas com sucesso no cluster de GPUs do CEPID CCES-eScience.
Caso o Sirius apresente falhas por conta da interferência de vibrações vindas de fontes desconhecidas, os modelos de Mesquita e Labaki ajudarão a entender as causas do problema e a propor estratégias para resolvê-lo. “Esse know-how que ninguém ainda desenvolveu poderá ser aplicado não apenas para aceleradores de partículas como o Sirius, mas em outros projetos de estruturas sensíveis a vibrações”, diz Labaki, “como usinas eólicas e hidrelétricas, laboratórios de nanomecânica e salas de concerto.”