Produkcja cementu odpowiada za aż 8% globalnych emisji CO₂, co czyni ją jednym z największych przemysłowych źródeł gazów cieplarnianych. Naukowcy z Instytutu Paula Scherrera opracowali innowacyjne rozwiązanie: wykorzystując sztuczną inteligencję i modelowanie termodynamiczne, stworzyli system, który błyskawicznie znajduje receptury cementu o niższym śladzie węglowym i wysokiej wytrzymałości mechanicznej.
W budownictwie trudno uciec od betonu. Oczywiście nadal możemy postawić dom z drewna, czy nawet kontenera przemysłowego, ale takie rozwiązania nie sprawdzą się w przypadku budowy np. biurowców. Podstawowym składnikiem betonu, będącego najczęściej wykorzystywanym materiałem na świecie, jest cement. A produkcja cementu odpowiada za około 8% globalnych emisji dwutlenku węgla, co jest wynikiem wyższym niż cały sektor lotniczy.
W związku z tym naukowcy z Instytutu Paula Scherrera w Szwajcarii postanowili sięgnąć po narzędzia sztucznej inteligencji, by znaleźć nowe, bardziej ekologiczne receptury cementu, które jednocześnie nie tracą na wytrzymałości. Ich przełomowe podejście może zmienić sposób, w jaki myślimy o budowie zrównoważonej przyszłości.
Podstawą do produkcji cementu jest klinkier, otrzymywany poprzez wypalanie zmielonego wapienia w piecach obrotowych w temperaturze dochodzącej do 1400°C. To proces energochłonny, wymagający spalania paliw kopalnych. Jednak – co może zaskakiwać – to nie spalanie odpowiada za największą część emisji CO₂. Większość dwutlenku węgla uwalnia się w wyniku chemicznej przemiany wapienia w wysokiej temperaturze.
Jedną ze strategii ograniczania emisji jest zastąpienie części klinkieru tzw. dodatkami pucolanowymi, czyli materiałami wtórnymi (np. żużlem hutniczym czy popiołem lotnym). Ale globalny popyt na cement jest tak ogromny, że same odpady przemysłowe nie wystarczą. Potrzebne są nowe kombinacje składników, które będą dostępne w dużej ilości, będą miały niskie emisje i jednocześnie zachowają odpowiednią jakość mechaniczną.
Zespół naukowców z PSI opracował nowatorski model oparty na sztucznej inteligencji, który pozwala projektować receptury cementu nie metodą prób i błędów, lecz poprzez zaawansowane obliczenia. Wykorzystali do tego modelowanie termodynamiczne, dane empiryczne i sztuczne sieci neuronowe, które uczą się przewidywać właściwości mechaniczne na podstawie składu chemicznego cementu.
Zamiast testować tysiące mieszanek w laboratorium, możemy w kilka sekund uzyskać sugestie praktycznych receptur – to jak cyfrowa książka kucharska dla ekologicznego cementu
- mówi Romana Boiger, matematyczka i współautorka badania.
Dzięki temu podejściu, naukowcy byli w stanie zidentyfikować optymalne kombinacje składników, które łączą wysoką jakość materiału z niskim śladem węglowym. Aby jeszcze bardziej zoptymalizować proces, badacze odwrócili tradycyjne podejście: zamiast zaczynać od składu i badać jego właściwości, zadali pytanie odwrotne – jaki skład musi mieć cement, aby spełniał określone kryteria dotyczące wytrzymałości i emisji?
W pierwszym etapie zespół wygenerował dane treningowe, modelując reakcje hydratacji cementu w programie GEMS (Gibbs Energy Minimization Software), stworzonym w PSI. Z tych danych wyliczono właściwości mechaniczne, takie jak moduł objętościowy, który silnie koreluje z wytrzymałością na ściskanie – kluczowym parametrem w inżynierii materiałowej.
Na tej podstawie sztuczna sieć neuronowa została „nauczona”, by przewidywać właściwości mechaniczne dowolnej mieszanki cementu niemal natychmiast – nawet tysiąc razy szybciej niż w przypadku tradycyjnych modeli. To rewolucja w skali czasowej projektowania materiałów budowlanych.
Dodatkowo, w celu optymalizacji pod kątem emisji i jakości, zastosowano algorytmy genetyczne – technikę inspirowaną ewolucją biologiczną. Pozwala ona efektywnie przeszukiwać olbrzymią przestrzeń możliwych składów cementu i wybrać te, które leżą na tzw. froncie Pareto – czyli są jednocześnie najbardziej ekologiczne i najmocniejsze.
W wyniku badań powstało kilka obiecujących receptur cementu o współczynniku emisji od 0,39 do 0,76 kg CO₂ na 1 kg pasty cementowej, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego modułu objętościowego. Co istotne, podejście to nie musi ograniczać się wyłącznie do cementu. Można je rozszerzyć na inne materiały budowlane, uwzględniając różne środowiska pracy, dostępność surowców, a nawet warunki klimatyczne.
Grafika: depositphotos
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
