Rewolucja w materiałach budowlanych: AI zmienia oblicze cementu
Produkcja cementu jest znaczącym źródłem globalnych emisji dwutlenku węgla, odpowiadając za około 8% całkowitej sumy, co przewyższa emisje całego sektora lotniczego. W odpowiedzi na to wyzwanie naukowcy z Instytutu Paula Scherrera (PSI) podjęli innowacyjne kroki, wykorzystując sztuczną inteligencję i modelowanie termodynamiczne. Dzięki temu stworzyli system, który błyskawicznie identyfikuje receptury cementu charakteryzujące się zarówno niższym śladem węglowym, jak i wysoką wytrzymałością mechaniczną.
Dlaczego tradycyjny cement jest problemem?
Beton, którego podstawowym składnikiem jest cement, pozostaje najczęściej używanym materiałem budowlanym na świecie. Chociaż istnieją alternatywy, takie jak drewno czy kontenery, nie sprawdzą się one w przypadku większych konstrukcji, jak na przykład biurowce. Proces produkcji klinkieru – kluczowego komponentu cementu – jest niezwykle energochłonny. Polega na wypalaniu wapienia w piecach obrotowych w temperaturach sięgających 1400°C. Co zaskakujące, głównym źródłem emisji CO2 w tym procesie nie jest spalanie paliw, lecz chemiczna transformacja wapienia zachodząca pod wpływem wysokiej temperatury.
Jedną z metod redukcji emisji jest częściowe zastąpienie klinkieru tak zwanymi dodatkami pucolanowymi, czyli materiałami odpadowymi, takimi jak żużel hutniczy czy popiół lotny. Niestety, globalne zapotrzebowanie na cement jest tak ogromne, że same odpady przemysłowe nie są wystarczającym rozwiązaniem. Potrzebne są nowe, innowacyjne kombinacje składników, które będą dostępne w dużych ilościach, generować niskie emisje, a jednocześnie zachować niezbędne właściwości mechaniczne.
Sztuczna inteligencja w służbie ekologicznego budownictwa
Naukowcy z PSI opracowali pionierski model oparty na sztucznej inteligencji, który umożliwia projektowanie receptur cementu poprzez zaawansowane obliczenia, eliminując potrzebę długotrwałych prób i błędów. Wykorzystali do tego modelowanie termodynamiczne, dane empiryczne oraz sztuczne sieci neuronowe, które uczą się przewidywać właściwości mechaniczne materiału na podstawie jego składu chemicznego.
Jak podkreśla Romana Boiger, matematyczka i współautorka badania: „Zamiast testować tysiące mieszanek w laboratorium, możemy w kilka sekund uzyskać sugestie praktycznych receptur – to jak cyfrowa książka kucharska dla ekologicznego cementu”. Dzięki temu podejściu zespół był w stanie zidentyfikować optymalne połączenia składników, które gwarantują wysoką jakość materiału przy znacznie niższym śladzie węglowym. Badacze zastosowali również innowacyjne podejście, odwracając tradycyjny proces projektowania: zamiast wychodzić od składu i badać jego właściwości, pytali, jaki skład musi mieć cement, aby spełniał określone kryteria wytrzymałości i emisji.
Od danych do zrównoważonych rozwiązań
W początkowej fazie prac zespół wygenerował dane treningowe, symulując reakcje hydratacji cementu za pomocą oprogramowania GEMS (Gibbs Energy Minimization Software), stworzonego w PSI. Na podstawie tych danych obliczono właściwości mechaniczne, takie jak moduł objętościowy, który jest silnie skorelowany z wytrzymałością na ściskanie – kluczowym parametrem w inżynierii materiałowej.
Dzięki temu sztuczna sieć neuronowa została „wytrenowana” do niemal natychmiastowego przewidywania właściwości mechanicznych dowolnej mieszanki cementu – nawet tysiąc razy szybciej niż w przypadku tradycyjnych metod. To znaczący przełom w projektowaniu materiałów budowlanych. Dodatkowo, w celu optymalizacji pod kątem emisji i jakości, zastosowano algorytmy genetyczne, inspirowane ewolucją biologiczną. Technika ta pozwala efektywnie przeszukiwać ogromną przestrzeń możliwych składów cementu, wybierając te, które leżą na tak zwanym froncie Pareto – czyli są jednocześnie najbardziej ekologiczne i najmocniejsze.
W rezultacie badań opracowano kilka obiecujących receptur cementu, charakteryzujących się współczynnikiem emisji od 0.39 do 0.76 kg CO2 na 1 kg pasty cementowej, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego modułu objętościowego. Co istotne, to podejście nie musi ograniczać się wyłącznie do cementu. Może być rozszerzone na inne materiały budowlane, uwzględniając różnorodne środowiska pracy, dostępność surowców, a nawet specyficzne warunki klimatyczne.