Согласно Королевскому химическому обществу, бетон — это наиболее широко используемый материал в мире. Однако производство одного из его основных компонентов — цемента — приводит к выбросам большого количества углекислого газа (CO₂) в атмосферу.
Эта проблема вдохновила исследователей из Института Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии разработать модель на основе искусственного интеллекта, которая ускоряет поиск новых рецептов цемента с меньшим углеродным следом.
«Это как цифровая поваренная книга для экологичного цемента», — говорит первый автор исследования, математик Романа Бойгер.
«Вместо того чтобы тестировать тысячи вариантов в лаборатории, мы можем использовать нашу модель для генерации практических предложений по рецептам за считанные секунды», — объясняет она.
Исследование этой модели проводилось в рамках проекта Swiss Centre of Excellence on Net Zero Emissions (SCENE).
«Наш метод позволяет значительно ускорить цикл разработки, отбирая перспективных кандидатов для дальнейших экспериментальных исследований», — говорит Николаос Прасианикакис, инициатор исследования.
Мировая цементная промышленность производит около 8% выбросов CO₂ в мире. Для сравнения, авиационная индустрия ответственна за 2,5% мировых выбросов углекислого газа.
Текущее производство цемента приводит к выбросам CO₂ двумя основными способами:
1. Для изготовления цемента сырьё, такое как известняк, нагревают в гигантской печи, известной как печь для обжига. Чтобы превратить известняк в мелкие кусочки, называемые клинкером, печи нагревают до 1400 °C. Для достижения такой высокой температуры требуется как электричество, так и энергоёмкие реакции горения, которые выделяют большое количество парниковых газов.
2. Однако большая часть выбросов CO₂, производимых при производстве цемента, на самом деле приходится на сами сырьевые материалы. Когда известняк превращается в клинкер, CO₂, химически связанный в известняке, высвобождается.
Это привело команду Центра ядерной инженерии и наук PSI к попытке модифицировать молекулы рецепта цемента в качестве стратегии сокращения выбросов.
«С помощью программного обеспечения для термодинамического моделирования с открытым исходным кодом GEMS, разработанного в PSI, мы рассчитали — для различных составов цемента — какие минералы образуются во время затвердевания и какие геохимические процессы происходят», — говорит Николаос Прасианикакис, инициатор исследования.
Созданная командой модель ИИ также способна рассчитать общий объём выбросов CO₂ для различных рецептов цементных материалов за миллисекунды.
«Это примерно в тысячу раз быстрее, чем при традиционном моделировании», — говорит Бойгер.
«Можно сказать, что мы делаем геологию в ускоренном режиме», — говорит Джон Провис, руководитель исследовательской группы по цементным системам в PSI и соавтор исследования.
«Нам нужна правильная комбинация материалов, которые доступны в больших количествах и из которых можно производить высококачественный надёжный цемент», — отмечает он.
Хотя исследователи обнаружили много перспективных кандидатов для новых рецептов цемента, материалы теперь необходимо сначала протестировать в лаборатории, прежде чем их можно будет использовать в строительной отрасли.
«Это только начало», — говорит Николаос Прасианикакис.
«Экономия времени, предлагаемая таким общим рабочим процессом, огромна, что делает его очень перспективным подходом для всех видов проектирования материалов и систем».
Исследование опубликовано в журнале Materials and Structures.