Швейцарские исследователи создали ИИ-систему, которая за считанные секунды формирует экологичные рецепты цемента, потенциально меняя одну из самых углеродоёмких отраслей мира.
Команда Института Пауля Шеррера (PSI) разработала подход на основе машинного обучения, который позволяет радикально снизить углеродный след цемента за счёт переработки его рецептуры. Их система моделирует тысячи комбинаций ингредиентов, определяя те, которые сохраняют структурную целостность, но при этом выделяют гораздо меньше CO2 — и всё это за секунды.
Инновация нацелена на решение серьёзной климатической проблемы: цементная промышленность производит около восьми процентов мировых выбросов CO2 — больше, чем весь мировой авиационный сектор. Вращающиеся печи на цементных заводах нагреваются до 1400 градусов Цельсия, чтобы обжигать измельчённый известняк до клинкера — сырья для готового цемента.
Удивительно, но менее половины выбросов цемента приходится на сам процесс сжигания. Основная часть выделяется из сырья: химически связанный в известняке CO₂ высвобождается при его превращении в клинкер в высокотемпературных печах.
Одной из перспективных стратегий снижения выбросов является изменение рецептуры цемента за счёт замены части клинкера альтернативными вяжущими материалами. Именно этим занимается междисциплинарная команда Лаборатории по управлению отходами PSI.
«Это позволяет нам моделировать и оптимизировать составы цемента так, чтобы они выделяли значительно меньше CO2, сохраняя при этом высокие механические характеристики», — объясняет математик Романа Бойгер, первый автор исследования. — «Вместо того чтобы тестировать тысячи вариантов в лаборатории, мы можем с помощью нашей модели за секунды получать практические рецепты — это как цифровая кулинарная книга для экологичного цемента».
Промышленные побочные продукты, такие как шлак от производства железа и зола от угольных электростанций, уже используются для частичной замены клинкера в рецептурах цемента. Однако мировой спрос на цемент настолько велик, что этих материалов недостаточно. «Нам нужна правильная комбинация компонентов, которые доступны в больших объёмах и из которых можно производить высококачественный, надёжный цемент», — говорит Джон Провис, руководитель группы исследований цементных систем PSI и соавтор работы.
Проект потребовал междисциплинарного подхода, объединившего специалистов по химии цемента, термодинамике и искусственному интеллекту. Исследование проводилось в рамках SCENE (Швейцарский центр передовых исследований по достижению нулевых выбросов), междисциплинарной программы, направленной на разработку научно обоснованных решений для резкого сокращения выбросов парниковых газов в промышленности и энергетике.
Исследование было опубликовано в журнале Materials and Structures и открывает перспективный путь к декарбонизации одной из самых сложных отраслей в борьбе с изменением климата.