Schweiziska forskare har skapat ett AI-system som skriver klimatvänliga cementrecept på några sekunder, med potential att omvandla en av världens mest koldioxidintensiva industrier.
Teamet vid Paul Scherrer-institutet (PSI) har utvecklat en maskininlärningsmetod som kan minska cementens koldioxidavtryck avsevärt genom att omarbeta dess recept. Systemet simulerar tusentals ingredienskombinationer och identifierar de som bibehåller strukturell integritet samtidigt som de släpper ut betydligt mindre CO2 – allt på några sekunder.
Innovationens mål är en betydande klimatutmaning, då cementindustrin står för omkring åtta procent av världens CO2-utsläpp – mer än hela den globala flygsektorn. De roterande ugnarna i cementfabriker värms upp till hela 1 400 grader Celsius för att bränna mald kalksten till klinker, råmaterialet för färdig cement.
Överraskande nog kommer mindre än hälften av cementens utsläpp från själva förbränningsprocessen. Den största delen frigörs från råmaterialen: CO₂ som är kemiskt bunden i kalkstenen släpps ut under omvandlingen i de högtempererade ugnarna.
En lovande strategi för att minska utsläppen är att modifiera cementreceptet genom att ersätta en del av klinkern med alternativa cementbaserade material. Det är just detta som det tvärvetenskapliga teamet vid PSI:s Laboratorium för avfallshantering har undersökt.
"Detta gör att vi kan simulera och optimera cementformuleringar så att de släpper ut betydligt mindre CO2 samtidigt som de behåller samma höga mekaniska prestanda," förklarar matematikern Romana Boiger, förstaförfattare till studien. "Istället för att testa tusentals varianter i labbet kan vi använda vår modell för att generera praktiska receptförslag på några sekunder – det är som att ha en digital kokbok för klimatvänlig cement."
Industriella biprodukter som slagg från järnproduktion och flygaska från koleldade kraftverk används redan delvis för att ersätta klinker i cementrecept. Men den globala efterfrågan på cement är så enorm att dessa material ensamma inte räcker till. "Det vi behöver är rätt kombination av material som finns i stora mängder och från vilka högkvalitativ, tillförlitlig cement kan produceras," säger John Provis, chef för Cement Systems Research Group vid PSI och medförfattare till studien.
Projektet krävde ett tvärvetenskapligt angreppssätt där cementkemister, experter på termodynamik och AI-specialister samarbetade. Det genomfördes inom ramen för SCENE (Swiss Centre of Excellence on Net Zero Emissions), ett tvärvetenskapligt forskningsprogram som syftar till att utveckla vetenskapligt förankrade lösningar för att drastiskt minska växthusgasutsläpp inom industri och energiförsörjning.
Forskningen publicerades i tidskriften Materials and Structures och erbjuder en lovande väg mot avkarbonisering av en av de mest utmanande sektorerna i kampen mot klimatförändringarna.