PSI:n ydinvoimatekniikan ja -tieteen keskuksen jätehuoltolaboratorion monitieteinen tiimi on kehittänyt uraauurtavan lähestymistavan sementin valmistukseen koneoppimisen avulla. "Tämän ansiosta voimme simuloida ja optimoida sementtikoostumuksia niin, että ne tuottavat huomattavasti vähemmän CO2-päästöjä säilyttäen samalla korkean mekaanisen suorituskyvyn", kertoo matemaatikko Romana Boiger, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. "Sen sijaan, että testaisimme tuhansia variaatioita laboratoriossa, voimme mallimme avulla tuottaa käytännöllisiä reseptiehdotuksia sekunneissa – se on kuin digitaalinen keittokirja ilmastoystävälliselle sementille."
PSI:n tutkijat kouluttivat neuroverkkoaan avoimen lähdekoodin GEMS-termodynaamisen mallinnusohjelmiston tuottaman datan avulla. "GEMSin avulla laskimme eri sementtikoostumuksille, mitä mineraaleja muodostuu kovettumisen aikana ja mitä geokemiallisia prosesseja tapahtuu", selittää tutkija Nikolaos Prasianakis. Yhdistämällä nämä tulokset kokeelliseen dataan ja mekaanisiin malleihin tiimi pystyi määrittämään luotettavia indikaattoreita sementin mekaanisille ominaisuuksille ja materiaalin laadulle.
Tutkijoiden tunnistamien sementtikoostumusten joukossa on jo lupaavia ehdokkaita. "Jotkut näistä koostumuksista ovat todellisia mahdollisuuksia", sanoo John Provis, PSI:n Cement Systems Research Groupin johtaja, "ei vain CO2-päästöjen vähentämisen ja laadun osalta, vaan myös tuotannon käytännön toteutettavuuden kannalta." Tutkimus toimii ensisijaisesti proof of concept -tasona – osoittaen, että lupaavia koostumuksia voidaan tunnistaa matemaattisen laskennan avulla. Ennen käyttöönottoa reseptit on kuitenkin testattava laboratoriossa.
Samanaikaisesti MIT:n tutkijat postdoc Soroush Mahjoubin johdolla ovat julkaisseet avoimen artikkelin Nature-lehden Communications Materials -julkaisussa, jossa esitellään vastaava tekoälypohjainen ratkaisu. MIT:n tiimi huomautti, että lentotuhkaa ja masuunikuonaa on pitkään käytetty korvaamaan osa sementistä betoniseoksissa, mutta näiden materiaalien kysyntä ylittää tarjonnan teollisuuden pyrkiessä vähentämään ilmastovaikutuksia. "Ymmärsimme, että tekoäly on avain jatkoon", Mahjoubi kertoo. "Saatavilla on valtavasti tietoa mahdollisista materiaaleista – satoja tuhansia sivuja tieteellistä kirjallisuutta. Näiden läpikäyminen veisi useita ihmiselämiä, ja sillä välin uusia materiaaleja löydettäisiin jatkuvasti!"
Analysoimalla tieteellistä kirjallisuutta ja yli miljoonaa kivenäytettä MIT:n tiimi pystyi järjestämään ainesosakandidaatit 19 tyyppiin, jotka ulottuvat biomassasta kaivosteollisuuden sivutuotteisiin ja purettujen rakennusten materiaaleihin. Mahjoubi ja hänen tiiminsä havaitsivat, että sopivia materiaaleja on saatavilla maailmanlaajuisesti – ja mikä vaikuttavinta, monet niistä voidaan ottaa käyttöön betoniseoksissa pelkästään jauhamalla ne.
Nämä tekoälyinnovaatiot mullistavat sementtiteollisuutta, muuttavat valmistusprosesseja ja ovat korvaamattomia ilmastonmuutoksen torjunnassa mahdollistamalla innovatiivisia ja erittäin tehokkaita ratkaisuja vähähiilisen sementin tuotantoon.