Zwitserse onderzoekers hebben een AI-systeem ontwikkeld dat binnen enkele seconden klimaatvriendelijke cementrecepten opstelt, met de potentie om een van de meest CO2-intensieve industrieën ter wereld te transformeren.
Het team van het Paul Scherrer Instituut (PSI) ontwikkelde een machine learning-benadering die de CO2-voetafdruk van cement drastisch kan verkleinen door het recept te herontwerpen. Hun systeem simuleert duizenden ingrediëntencombinaties en identificeert die samenstellingen die de structurele integriteit behouden, maar aanzienlijk minder CO2 uitstoten—en dat alles binnen enkele seconden.
De innovatie richt zich op een grote klimaatuitdaging, aangezien de cementindustrie verantwoordelijk is voor ongeveer acht procent van de wereldwijde CO2-uitstoot—meer dan de gehele luchtvaartsector wereldwijd. In cementfabrieken worden draaimolens tot wel 1.400 graden Celsius verhit om gemalen kalksteen om te zetten in klinker, de grondstof voor kant-en-klare cement.
Opmerkelijk genoeg is minder dan de helft van de CO2-uitstoot van cement toe te schrijven aan het verbrandingsproces zelf. Het grootste deel komt vrij uit de grondstoffen: CO₂ die chemisch gebonden is in kalksteen, wordt losgelaten tijdens de omzetting in de hoogtemperatuurovens.
Een veelbelovende strategie om de uitstoot te verminderen is het aanpassen van het cementrecept door een deel van de klinker te vervangen door alternatieve cementachtige materialen. Precies dat onderzoekt het interdisciplinaire team van het PSI Laboratorium voor Afvalbeheer.
"Hiermee kunnen we cementformuleringen simuleren en optimaliseren zodat ze aanzienlijk minder CO2 uitstoten, terwijl ze dezelfde hoge mechanische prestaties behouden," legt wiskundige Romana Boiger uit, eerste auteur van de studie. "In plaats van duizenden variaties in het laboratorium te testen, kunnen we met ons model binnen enkele seconden praktische receptsuggesties genereren—het is als een digitaal kookboek voor klimaatvriendelijk cement."
Industriële bijproducten zoals slak uit de ijzerproductie en vliegas uit kolencentrales worden al deels gebruikt om klinker in cementformuleringen te vervangen. Maar de wereldwijde vraag naar cement is zo enorm dat deze materialen alleen niet kunnen voldoen aan de behoefte. "Wat we nodig hebben, is de juiste combinatie van materialen die in grote hoeveelheden beschikbaar zijn en waarmee kwalitatief hoogwaardig, betrouwbaar cement kan worden geproduceerd," zegt John Provis, hoofd van de Cement Systems Research Group bij PSI en mede-auteur van de studie.
Voor het project was een interdisciplinaire aanpak vereist, waarbij cementchemici, experts in thermodynamica en AI-specialisten samenwerkten. Het onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van SCENE (het Swiss Centre of Excellence on Net Zero Emissions), een interdisciplinair onderzoeksprogramma dat zich richt op het ontwikkelen van wetenschappelijk onderbouwde oplossingen om de uitstoot van broeikasgassen in industrie en energievoorziening drastisch te verminderen.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Materials and Structures en biedt een veelbelovend perspectief voor het koolstofvrij maken van een van de meest uitdagende sectoren in de strijd tegen klimaatverandering.