Il Premio Aspen Institute Italia 2024 è stato assegnato a una ricerca multidisciplinare all’avanguardia che unisce la fisica, la biologia, l’informatica e l’ingegneria: “Supersimulazioni di flussi idrodinamici rivelano l’adattamento della struttura scheletrica delle spugne di profondità“. Il progetto vincitore, condotto con il supporto del supercalcolatore Marconi100 del Cineca, porta alla luce le straordinarie capacità di adattamento delle spugne di profondità, aprendo così nuove prospettive nel campo della progettazione ingegneristica.
La ricerca, che era stata pubblicata anche sulla rivista Nature, si concentra sulle interazioni tra la struttura delle spugne e il fluido circostante, e apre la strada a significativi sviluppi per la progettazione di strutture a bassa resistenza, adatte ad affrontare le pressioni dell’aria o dell’acqua, sia per navi che per fusoliere di aeroplani, fino ai grattacieli.
Una delle specie analizzate è l’Euplectella Aspergillum, che vive nelle profondità dell’Oceano Pacifico e intorno al Continente Antartico. Conosciuta anche come Cestello di Venere, questa spugna è caratterizzata da proprietà strutturali particolari: lo scheletro in fibra di silicio conferisce a questa creatura marina una straordinaria resistenza meccanica, nonostante la sua struttura apparentemente fragile.
Gli scienziati hanno investigato gli adattamenti del Cestello di Venere alle correnti degli abissi tramite simulazioni fluidodinamiche avanzate condotte sul supercalcolatore Marconi 100, che ha permesso loro di raggiungere una velocità di calcolo di circa 10 Petaflops e di produrre dati in quattro dimensioni, tre spaziali più una temporale.
La simulazione con il supercomputer Marconi100
La struttura della Euplectella aspergillum, riprodotta in Italia da Pierluigi Fanelli dell’Università della Tuscia, ricorda un delicato vaso di vetro a forma di tubo cilindrico a parete sottile con un grande atrio centrale, composto da spicole silicee. Le spicole sono composte da tre raggi perpendicolari, chedanno loro una forma a sei punte. Le spicole microscopiche “tessono” insieme una maglia molto fitta, che conferisce al corpo della spugna una rigidità non riscontrata in altre specie di spugne e consente loro di sopravvivere a grandi profondità nell’oceano.
Per capire come sopravvivono nel loro ambiente le spugne “Cestello di Venere”, il team di ricerca internazionale ha utilizzato il supercomputer “MARCONI100” presso il CINECA, in Italia, in grado di svolgere simulazioni basate su miliardi di punti di calcolo e di produrre dati in quattro dimensioni, tre spaziali più una temporale. I ricercatori hanno impiegato un codice di calcolo speciale sviluppato da Giorgio Amati, della dipartimento HPC del CINECA di Roma. Il software ha consentito di svolgere super-simulazioni basate sul metodo Lattice Boltzmann, una classe di metodi di fluidodinamica computazionale per sistemi complessi che rappresenta il fluido come un insieme di particelle e tiene traccia del comportamento di ciascuna di esse. Gli esperimenti “in silico”, ossia condotti tramite sofisticate simulazioni al computer, hanno riprodotto le condizioni idrodinamiche del fondale marino dove vive la spugna di vetro attraverso quasi 100 miliardi di particelle fluide. I risultati elaborati da Vesselin K. Krastev presso l’Università di Roma “Tor Vergata” hanno permesso ai ricercatori di esplorare come l’organizzazione di fori e creste nella spugna migliori la sua capacità di ridurre le forze applicate dall’acqua di mare e come la sua struttura influenzi la dinamica del flusso all’interno della cavità del corpo della spugna, ottimizzando sia la filtrazione selettiva dei nutrienti sia l’incontro dei gameti per la riproduzione sessuale.
Questo lavoro è un’applicazione esemplare della fluidodinamica computazionale, in generale, e del metodo Lattice Boltzmann, in particolare: l’accuratezza e la flessibilità del metodo, combinata con l’accesso a uno dei migliori supercomputer al mondo, ha permesso di eseguire calcoli di livello mai tentati prima in questo campo.
Il riconoscimento del Premio Aspen Institute Italia è stato assegnato a questa ricerca per il suo valore scientifico e per l’importante contributo alla collaborazione transatlantica e interdisciplinare. Infatti, la collaborazione tra l’Università di Roma Tor Vergata, la New York University e l’Università di Harvard, con il supporto del supercalcolo, ha portato alla luce non solo aspetti ingegneristici, ma anche significativi risvolti biologici.
La giuria del Premio, presieduta dall’On. Prof. Giulio Tremonti, Presidente di Aspen Institute Italia, ha riconosciuto il valore innovativo di questa ricerca che apre nuove prospettive nell’ambito delle relazioni tra meccanica dei fluidi, biologia degli organismi viventi ed ecologia, con ricadute concrete per le applicazioni nella progettazione e nell’ingegneria strutturale.
Maggiori informazioni sono disponibili nell’approfondimento sul sito del Cineca. e sul sito dell’Premio Aspen Institute
