Как с помощта на изкуствен интелект може да се създаде по-екологичен цимент

25.07.2025   |   Начало»Технологии

Редактор
Мира Станкова

Редактор
Мира Станкова

Когато циментът се смеси с вода, пясък и чакъл се получава бетон – най-широко използвания строителен материал в света. При производството на цимент обаче се отделят големи количества въглероден диоксид – около 8% от световните емисии на парниковия газ, което е повече от емисиите от целия авиационен сектор. Изследователи от Института Пол Шерер (PSI) съобщиха, че са създали инструмент с изкуствен интелект, който помага да се ускори създаването на нови циментови формулировки, които биха могли да осигурят същото качество на материала, но с по-добър въглероден отпечатък.
 
Ротационните пещи в циментовите заводи се загряват до 1400°C, за да се изгори смленият варовик до клинкер – суровината за готов за употреба цимент. Естествено, подобни температури обикновено не могат да се постигнат с използване само на електричество. Те са резултат от енергоемки горивни процеси, при които се отделят големи количества въглероден диоксид. Това, което е изненадващо обаче, е, че процесът на горене е причина за по-малко от половината от тези емисии, дори много по-малко. Повечето се съдържат в суровините, необходими за производството на клинкер и цимент – въглеродният оксид, който е химически свързан във варовика, се освобождава по време на трансформацията в пещите.
 
Обещаваща стратегия за намаляване на емисиите е да се модифицира самата рецепта на цимента, заменяйки част от клинкера с алтернативни материали. Точно това се опитва да направи екип от Лабораторията по управление на отпадъците в Центъра по ядрено инженерство и наука в PSI. Вместо да разчитат само на времеемки експерименти или сложни симулации, изследователите създават моделиращ подход на базата на машинно самообучение. "Това ни позволява да правим симулации и да оптимизираме циментовите формулировки, така че да се отделя значително по-малко въглероден диоксид, като при това се запази същото високо ниво на механичните свойства", обяснява математикът Романа Бойгер, първи автор на проучването. "Вместо да тестваме хиляди варианти в лабораторията, ние можем да използваме нашия модел, за да генерираме практични рецепти за секунди – това е като да имаш дигитална готварска книга за екологичен цимент."

С този нов подход изследователите могат селективно да филтрират онези циментови формулировки, които отговарят на желаните критерии. "Наборът от възможности за материален състав – който определя финалните свойства – е изключително голям", казва Николаос Прасианакис, ръководител на Изследователската група за транспортни механизми в PSI, който е инициатор и съавтор на проучването. "Нашият метод ни позволява значително да ускорим развойния цикъл, като избираме обещаващи кандидати за по-нататъшни експериментални проучвания."

Точната рецепта

Понастоящем индустриални вторични продукти, като шлака от производството на желязо и пепел от въглищни електроцентрали, вече се използват за частична замяна на клинкера в рецептите за цимент и за намаляване по този начин на въглеродните емисии. Глобалното търсене на цимент обаче е толкова голямо, че тези материали не са достатъчни, за да се отговори на търсенето. "Това, от което имаме нужда, е правилната комбинация от материали, които са налични в големи количества и, от които може да се получи висококачествен, надежден цимент", заявява Джон Провис, ръководител на Изследователската група за циментови системи в PSI и съавтор на проучването.
 
Намирането на подобни формулировки обаче е трудно. "Циментът на практика е свързващ минералите агент – в бетона ние използваме цимент, вода и чакъл, за да създадем по изкуствен път минерали, които държат целия материал заедно", обяснява Провис. "Може да се каже, че правим бърза геология." Тази геология – или по-скоро, наборът физически процеси зад нея, е изключително сложна и моделирането й с компютър изисква подобаващо количество изчисления и е скъпо. По тази причина изследователският екип разчита на изкуствен интелект.

Изкуственият интелект като изчислителен ускорител

Изследователите от PSI използват изкуствен интелект, като сами генерират данните, необходими за обучението му. "С помощта на термодинамичния моделиращ софтуер с отворен код GEMS, създаден в PSI, изчислихме – за различни циментови варианти – кои минерали формират трайно втвърдяване и кои геохимически процеси се извършват", обяснява Прасианакис. Комбинирайки тези резултати с експериментални данни и механични модели, изследвалите успяват да получат надежден индикатор за механичните свойства и следователно за качеството на цимента. За всеки използван компонент те прилагат и съответния въглероден фактор – специфична стойност на емисиите, с която е възможно да се определят общите въглеродни емисии. "Това беше много сложно моделиращо упражнение с много изчисления", казва Прасианакис.

 
Усилията обаче си заслужават – изкуственият интелект успява да се учи с генерираните по този начин данни. "Вместо за секунди или минути, обучената невронна мрежа сега може да изчисли механичните свойства за произволна рецепта за цимент за милисекунди, което е около хиляда пъти по-бързо отколкото с традиционно моделиране", обяснява Бойгер.

Отзад напред

Как този изкуствен интелект вече може да открие оптималните рецепти за цимент с най-ниските възможни въглеродни емисии и високо качество? Едната възможност е да се пробват различни формулировки и да се използва изкуственият интелект, за да изчисли свойствата им и след това да се изберат най-добрите варианти. По-ефективно е обаче процесът да се обърне. Вместо да се пробват всички варианти, въпросът да се постави наобратно – кой състав на цимента изпълнява желаните спецификации по отношение на въглеродния отпечатък и качеството.
 
Както механичните свойства, така и емисиите на въглероден диоксид пряко зависят от рецептата. "Математически погледнато, и двете променливи са функции на състава – ако той се промени, съответните характеристики също се променят", обяснява Бойгер. За да се определи оптималната рецепта, изследователите формулират проблема като задача за математическа оптимизация. Те търсят състав, който едновременно максимално подобрява механичните свойства и минимизира въглеродните емисии. "На практика, ние търсим максимума и минимума – от това можем директно да изведем желаната формулировка."
 
Ползата от този "обърнат подход" е, че вече няма нужда на сляпо да се тестват безброй рецепти и след това да се оценяват получените свойства. Вместо това, можете да се фокусирате върху тези, които отговарят на специфични желани критерии – в този случай, максимални механични свойства и минимални въглеродни емисии.

Интердисциплинарен подход с голям потенциал

Сред получените от изследователите циментови формулировки има някои обещаващи кандидати. "Някои от тези формулировки имат реален потенциал не само по отношение на намаляване на въглеродния диоксид и по отношение на качеството, но и по отношение на практическото им внедряване в производството", смята Джон Провис. За да приключат развойния цикъл обаче, рецептите първо трябва да бъдат тествани в лабораторията. "Няма да построим кула с тях веднага, без първо да ги тестваме", посочва Прасианакис.
 
В бъдеще възможностите на инструмента с изкуствен интелект могат да бъдат разширени с добавянето на още аспекти, като производство или достъпност на суровините, или къде ще бъде използван крайният продукт, като например в морска среда, където циментът и бетонът се държат различно, или дори в пустинята. "Това е само началото. Икономиите на време, предлагани от един такъв общ работен процес, са огромни – което го прави много обещаващ подход за всички видове материали и дизайни на системата", коментира Прасианакис.
 
Без интердисциплинарната подготовка на изследователите, проектът нямаше да бъде успешен. "Имахме нужда от химици, експерти по термодинамика, специалисти по изкуствен интелект – и екип, който може да ни събере всички заедно", посочва Прасианакис.

Ключови думи: PSI   изкуствен интелект   строителни материали  

Област: Технологии