Naučnici sa Instituta Paul Scherrer (PSI) razvili su inovativan metod za formulisanje cementa sa znatno manjom emisijom ugljen-dioksida, koristeći veštačku inteligenciju koja ubrzava proračune čak 1.000 puta u odnosu na tradicionalne modele.
Potraga za najboljom formulacijom cementa (Foto: Paul Scherrer Institute PSI / Markus Fischer)
Cement je ključni materijal za savremenu infrastrukturu, ali njegova proizvodnja značajno doprinosi emisiji CO2, što je jedan od glavnih ekoloških problema današnjice. Rešenje se, prema istraživačima sa PSI, ne nalazi u beskonačnim laboratorijskim eksperimentima, već u promeni same recepture cementa pomoću savremenih algoritama.
Interdisciplinarni tim, kojim rukovodi matematičarka Romana Boiger, osmislio je pristup koji omogućava virtuelno ispitivanje i optimizaciju cementnih smeša uz zadržavanje visokih mehaničkih svojstava, ali sa značajno manjom emisijom gasova staklene bašte.
Oglas
Boiger je navela da ovaj sistem omogućava simulaciju procesa vezivanja i određivanje optimalnih kombinacija sirovina bez fizičkog testiranja svake varijante.
Osnovni problem sa cementom leži u njegovoj proizvodnji: za dobijanje klinkera, glavne komponente cementa, krečnjak se mora zagrevati na oko 1.400 stepeni Celzijusa. Pri tom procesu oslobađa se znatna količina CO2, ne toliko zbog goriva koje se koristi za zagrevanje, već zbog hemijskih promena koje razlažu ugljen-dioksid vezan u samom kamenu.
Trenutno se deo klinkera zamenjuje nusproizvodima poput šljake iz železara ili pepela iz termoelektrana na ugalj. Ipak, zbog ogromne globalne potražnje za cementom, to nije dovoljno.
Profesor John Provis, koji vodi grupu za istraživanje cementnih sistema na PSI i koautor je studije, ističe da je potrebno pronaći prave kombinacije materijala koji su dostupni u velikim količinama i koji omogućavaju pouzdanu proizvodnju kvalitetnog cementa.
U tome ključnu ulogu igra veštačka inteligencija. Istraživači su razvili veštačku neuronsku mrežu obučenu na velikoj bazi podataka koju su dobili kombinujući PSI-jev softver za termodinamičko modelovanje (GEMS) sa eksperimentalnim rezultatima.
Nikolaos Prasianakis iz tima objašnjava da su na taj način mogli da proračunaju koji se minerali formiraju tokom očvršćavanja i koji geohemijski procesi nastaju.
Ova mreža omogućava da se mehaničke osobine određene cementne recepture izračunaju u milisekundama, što je približno 1.000 puta brže nego klasičnim metodama.
Međutim, inovacija tu ne staje. Umesto da proizvoljno testiraju nebrojene varijante, istraživači su koristili genetske algoritme inspirisane principima prirodne selekcije.
Ovim pristupom su tragali za cementnim sastavima koji ispunjavaju tražene kriterijume u pogledu bilansa CO2 i kvaliteta materijala. Provis je naglasio da su neke od ovih formulacija zaista obećavajuće, ne samo zbog mogućnosti smanjenja emisije ugljen-dioksida i postizanja željenog kvaliteta, već i zbog realne primenljivosti u industrijskoj proizvodnji.
Ipak, put do široke upotrebe ovih novih receptura je dug. Pre nego što postanu komercijalno dostupne, potrebno je obaviti opsežna laboratorijska ispitivanja kako bi se potvrdile njihove performanse. Trenutna studija pre svega predstavlja dokaz koncepta, pokazujući da se obećavajuće cementne smeše mogu identifikovati isključivo matematičkim proračunima.
Ovaj rad je tek početak, ali takozvani "digitalni kuvar" za cement zasnovan na veštačkoj inteligenciji mogao bi značajno da ubrza razvoj održivih građevinskih materijala. U svetu u kojem je smanjenje emisije CO2 iz proizvodnje cementa hitna potreba, istraživači upozoravaju da će proći godine pre nego što ove tehnologije postanu svakodnevica.
Ipak, pomaci se već dešavaju – na primer, stručnjaci su nedavno uspeli da pretvore glinu u cementni materijal ili da pomoću 3D štampe i grafena proizvedu čvrst beton nove generacije.
