Contexto

La NASA utiliza aleaciones para construir muchos de los elementos de sus misiones, como los componentes del sistema de lanzamiento espacial (SLS), los motores e incluso la propulsión térmica nuclear (NTP) y la investigación de materiales en microgravedad de la estación espacial internacional (ISS). Las estructuras a gran escala que componen las estaciones y los hábitats espaciales, las naves espaciales que utilizan NTP y otros elementos que van desde las toberas de los motores hasta los propulsores iónicos Hall dependen del diseño y el desarrollo de materiales, al igual que el avance del estado de la técnica. El éxito de cada elemento depende de las características de la aleación seleccionada, del rendimiento de la aleación en el entorno previsto, de su imprimibilidad y soldabilidad, y del método de unión utilizado, por ejemplo, un proceso de fusión selectiva (soldadura por fusión e impresión 3D de fusión selectiva por láser [SLM] y los métodos relacionados de deposición directa de energía [DED]) o un proceso de unión en estado sólido.

La ciencia de los materiales y el modelado predictivo de las aleaciones son temas difíciles. Sin embargo, los métodos para diseñar nuevas aleaciones mediante modelos computacionales predictivos están avanzando a pasos agigantados. El acoplamiento del diseño computacional de aleaciones con la síntesis iterativa y la caracterización/prueba de aleaciones ha reducido el tiempo de producción de una nueva aleación a uno o dos años, cuando antes se tardaba más de una década. Muchos lectores reconocerán esto como el enfoque de la ingeniería de materiales computacional integrada (ICME).

Estos rápidos avances dependen de los cálculos computacionales relativos a las interacciones termodinámicas e incluso atomísticas de las aleaciones y los materiales. Las soluciones se repiten para determinar las configuraciones y materiales óptimos para la fabricación aditiva (impresión 3D) y para la soldadura y unión en la Tierra y para la fabricación en el espacio de grandes estructuras en órbita y en la Luna.

A lo largo de la última década, se han desarrollado herramientas de modelización computacional de la ciencia de los materiales en laboratorios nacionales como el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) de Estados Unidos y los Laboratorios Nacionales Sandia, en la NASA y por equipos de universidades de prestigio mundial. Estas aplicaciones consisten en herramientas de cálculo de mecánica cuántica y dinámica molecular, métodos estadísticos estocásticos y de Monte Carlo, y herramientas de cálculo termodinámico. Muchas de estas herramientas son de uso gratuito y están licenciadas bajo la Licencia Pública General (GPL) o esquemas de licencia de código abierto.

Sin embargo, la mayoría de estas herramientas de código abierto se basan en complejas interfaces de línea de comandos y lenguajes de scripting y son muy singulares, lo que limita su accesibilidad a la comunidad general de ingenieros y científicos de materiales. Para utilizar estas herramientas, normalmente hay que conocer varios lenguajes de programación especializados, instalar bibliotecas especiales, utilizar herramientas de software de terceros o incluso bases de datos de materiales especialmente construidas. Además, hay que ejecutar enormes colas de trabajo en paralelo, todo ello para ejecutar un modelo computacionalmente sencillo.

El uso de estas herramientas de código abierto podría aumentar si se pudieran utilizar para ejecutar un modelo tras otro, para un material tras otro, de forma fluida y sin esfuerzo, y poder cambiar el método de cálculo empleado de un recurso agrupado (por ejemplo, el cuántico) a otro (por ejemplo, la dinámica molecular, el Monte Carlo, la termodinámica, etc.) con sólo pulsar un botón. Además, sería útil que esas herramientas de código abierto pudieran configurarse para poder mostrar y manipular los distintos resultados sin esfuerzo.

Aquí es donde las aplicaciones GUI pueden ser útiles. Una aplicación con bundled wrappers fáciles de instalar para las bibliotecas y dependencias requeridas con una GUI (es decir, menús desplegables y computación con botones) podría aumentar el uso de las herramientas de modelado de ciencia de materiales de código abierto existentes. La GUI puede ser para cada enfoque individual y gratuito o puede incorporar varios enfoques. La aplicación también podría servir para el flujo de trabajo entre enfoques.

Objetivos

A medida que desarrolle tu GUI, puedes (pero no es obligatorio) considerar lo siguiente:

Tu GUI podría interactuar con los siguientes paquetes de computación de modelado de ciencia de materiales: