Sveitsiläiset tutkijat ovat luoneet tekoälyjärjestelmän, joka laatii ilmastoystävällisiä sementtireseptejä sekunneissa – ja voi mullistaa yhden maailman hiili-intensiivisimmistä teollisuudenaloista.
Paul Scherrer -instituutin (PSI) tiimi kehitti koneoppimismenetelmän, jonka avulla sementin hiilijalanjälkeä voidaan pienentää merkittävästi reseptiä uudistamalla. Järjestelmä simuloi tuhansia ainesosayhdistelmiä ja tunnistaa ne, jotka säilyttävät rakenteellisen eheyden mutta tuottavat huomattavasti vähemmän CO2-päästöjä – kaikki tämä sekunneissa.
Innovaatio kohdistuu merkittävään ilmastohaasteeseen, sillä sementtiteollisuus tuottaa noin kahdeksan prosenttia maailman CO2-päästöistä – enemmän kuin koko maailman lentoliikenne yhteensä. Sementtitehtaiden pyörivät uunit kuumennetaan jopa 1 400 asteeseen polttaakseen jauhetun kalkkikiven klinkkeriksi, joka on valmis sementin raaka-aine.
Yllättävää kyllä, alle puolet sementin päästöistä syntyy itse polttoprosessista. Suurin osa vapautuu raaka-aineista: kalkkikiveen kemiallisesti sitoutunut CO₂ vapautuu sen muuttuessa korkeissa lämpötiloissa.
Yksi lupaava strategia päästöjen vähentämiseksi on sementin reseptin muokkaaminen korvaamalla osa klinkkeristä vaihtoehtoisilla sideaineilla. Juuri tätä on tutkinut PSI:n jätehuollon laboratorion monitieteinen tiimi.
"Tämä mahdollistaa sementtikoostumusten simuloinnin ja optimoinnin siten, että ne tuottavat huomattavasti vähemmän CO2-päästöjä mutta säilyttävät saman korkean mekaanisen suorituskyvyn", selittää matemaatikko Romana Boiger, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. "Sen sijaan, että laboratoriossa testattaisiin tuhansia variaatioita, voimme mallimme avulla tuottaa käytännöllisiä reseptiehdotuksia sekunneissa – se on kuin digitaalinen keittokirja ilmastoystävälliselle sementille."
Teollisuuden sivutuotteita, kuten rautatuotannon kuonaa ja hiilivoimaloiden lentotuhkaa, käytetään jo osittain klinkkerin korvaajina sementtikoostumuksissa. Kuitenkin sementin maailmanlaajuinen kysyntä on niin valtavaa, etteivät nämä materiaalit yksin riitä. "Tarvitsemme oikean yhdistelmän materiaaleja, joita on saatavilla suuria määriä ja joista voidaan valmistaa korkealaatuista, luotettavaa sementtiä", sanoo John Provis, PSI:n Cement Systems Research Groupin johtaja ja tutkimuksen toinen kirjoittaja.
Hanke vaati monitieteistä lähestymistapaa, jossa yhdistyivät sementtikemian, termodynamiikan ja tekoälyn asiantuntijat. Se toteutettiin osana SCENE-ohjelmaa (Swiss Centre of Excellence on Net Zero Emissions), monitieteistä tutkimusohjelmaa, jonka tavoitteena on kehittää tieteellisesti perusteltuja ratkaisuja teollisuuden ja energiantuotannon kasvihuonekaasupäästöjen radikaaliin vähentämiseen.
Tutkimus julkaistiin Materials and Structures -lehdessä, ja se tarjoaa lupaavan suunnan yhden ilmastonmuutoksen kannalta haastavimman sektorin päästöjen vähentämiseksi.