Современный мир построен на бетоне. Люди используют больше бетона ежегодно, чем любого другого материала, кроме воды. Однако цемент, ключевой компонент бетона, является источником до 10% всех выбросов углекислого газа в мире.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из Вашингтонского университета и Microsoft разработали новый тип низкоуглеродного бетона, смешав высушенный порошкообразный порошок из морских водорослей с цементом. Цемент с добавлением водорослей имеет потенциал глобального потепления на 21% ниже, сохраняя при этом свою прочность.
Благодаря помощи моделей машинного обучения команда разработала этот новый состав за короткое время.
Результаты исследования опубликованы в журнале Matter.
«Цемент — это основа современной инфраструктуры, но он сопряжён с огромными климатическими издержками», — сказала старший автор Элефтерия Румели, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Вашингтонском университете.
«Что делает эту работу интересной, так это то, что мы показываем, как такой распространённый фотосинтезирующий материал, как зелёные морские водоросли, может быть включён в цемент для сокращения выбросов, без необходимости дорогостоящей обработки или потери производительности», — добавила она.
Производство одного килограмма цемента приводит к выбросам почти килограмма CO₂. Большинство этих выбросов происходит из-за использования ископаемого топлива для нагрева сырья и химической реакции, называемой кальцинированием, которая происходит в процессе производства.
В отличие от этого, морские водоросли поглощают углерод из воздуха и накапливают его во время роста. И, что примечательно, они могут напрямую заменить часть цемента в бетоне, что значительно снижает углеродный след.
По подсчётам Румели, поиск идеальной смеси ингредиентов занял бы пять лет проб и ошибок, поскольку любой образец бетона полностью затвердевает примерно за месяц, прежде чем его свойства можно будет точно оценить.
Чтобы ускорить процесс, команда создала специальную модель машинного обучения и обучила её на начальном наборе из 24 составов цемента. Затем они использовали модель для прогнозирования идеальных смесей для тестирования в лаборатории.
Посредством обратной связи результатов этих тестов команда смогла быстро работать в тандеме с моделью. В результате была получена оптимальная смесь цемента с добавлением водорослей, которая прошла испытания на прочность при сжатии за 28 дней.
«Машинное обучение сыграло важную роль, помогая нам значительно сократить процесс, особенно важно здесь то, что мы внедряем в цемент совершенно новый материал», — сказала Румели.
Команда планирует углубить понимание того, как состав и структура водорослей влияют на характеристики цемента. Более масштабная цель — распространить работу на различные виды водорослей (или даже на пищевые отходы), чтобы производители могли создавать местные, устойчивые альтернативы цементу по всему миру и использовать машинное обучение для их быстрой оптимизации.
«Сочетая природные материалы, такие как водоросли, с современными инструментами обработки данных, мы можем локализовать производство, сократить выбросы и быстрее перейти к более экологичной инфраструктуре», — сказала Румели. «Это важный шаг к новому поколению устойчивых строительных материалов».
Предоставлено Вашингтонским университетом.