Η Τεχνητή Νοημοσύνη Ανακατεύει τη Συνταγή για το Σκυρόδεμα

Η πρόκληση της μείωσης του τσιμέντου

Για εβδομάδες, ο πίνακας στο εργαστήριο ήταν γεμάτος με σημειώσεις, διαγράμματα και χημικούς τύπους. Μια ερευνητική ομάδα από την Olivetti Group και το MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) εργαζόταν εντατικά σε ένα κρίσιμο πρόβλημα: Πώς μπορούμε να μειώσουμε την ποσότητα τσιμέντου στο σκυρόδεμα για να εξοικονομήσουμε κόστος και να μειώσουμε τις εκπομπές; Το ερώτημα αυτό δεν είναι καινούργιο. Υλικά όπως η ιπτάμενη τέφρα, ένα παραπροϊόν της παραγωγής άνθρακα, και η σκωρία, ένα παραπροϊόν της χαλυβουργίας, χρησιμοποιούνται εδώ και καιρό για να αντικαταστήσουν μέρος του τσιμέντου σε μίγματα σκυροδέματος. Ωστόσο, η ζήτηση για αυτά τα προϊόντα υπερβαίνει την προσφορά, καθώς η βιομηχανία προσπαθεί να μειώσει τις επιπτώσεις της στο κλίμα επεκτείνοντας τη χρήση τους, καθιστώντας την αναζήτηση εναλλακτικών λύσεων επείγουσα.

Η λύση της τεχνητής νοημοσύνης

Στις 17 Μαΐου, η ομάδα, υπό την ηγεσία του μεταδιδακτορικού ερευνητή Soroush Mahjoubi, δημοσίευσε μια ανοικτής πρόσβασης εργασία στο περιοδικό Communications Materials του Nature, περιγράφοντας τη λύση τους. “Συνειδητοποιήσαμε ότι η τεχνητή νοημοσύνη ήταν το κλειδί για την πρόοδο”, σημειώνει ο Mahjoubi. “Υπάρχουν τόσα πολλά δεδομένα σχετικά με πιθανά υλικά — εκατοντάδες χιλιάδες σελίδες επιστημονικής βιβλιογραφίας. Η ταξινόμησή τους θα απαιτούσε πολλές ζωές δουλειάς, μέχρι τότε θα είχαν ανακαλυφθεί περισσότερα υλικά!”

Πώς λειτουργεί το σύστημα

Με τη χρήση μεγάλων γλωσσικών μοντέλων, όπως τα chatbots που πολλοί από εμάς χρησιμοποιούμε καθημερινά, η ομάδα ανέπτυξε ένα πλαίσιο μηχανικής μάθησης που αξιολογεί και ταξινομεί τα υποψήφια υλικά με βάση τις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. “Πρώτον, υπάρχει η υδραυλική δραστικότητα. Ο λόγος που το σκυρόδεμα είναι ισχυρό είναι ότι το τσιμέντο —η ‘κόλλα’ που το συγκρατεί— σκληραίνει όταν εκτίθεται στο νερό. Έτσι, αν αντικαταστήσουμε αυτή την κόλλα, πρέπει να διασφαλίσουμε ότι το υποκατάστατο αντιδρά παρομοίως”, εξηγεί ο Mahjoubi. “Δεύτερον, υπάρχει η ποζολανικότητα. Αυτό συμβαίνει όταν ένα υλικό αντιδρά με το υδροξείδιο του ασβεστίου, ένα παραπροϊόν που δημιουργείται όταν το τσιμέντο συναντά το νερό, για να κάνει το σκυρόδεμα πιο σκληρό και ισχυρότερο με την πάροδο του χρόνου. Πρέπει να ισορροπήσουμε τα υδραυλικά και ποζολανικά υλικά στο μίγμα ώστε το σκυρόδεμα να αποδίδει στο μέγιστο.”

Η ευρεία γκάμα των υλικών

Αναλύοντας επιστημονική βιβλιογραφία και πάνω από 1 εκατομμύριο δείγματα πετρωμάτων, η ομάδα χρησιμοποίησε το πλαίσιο για να ταξινομήσει τα υποψήφια υλικά σε 19 κατηγορίες, που κυμαίνονται από βιομάζα έως παραπροϊόντα εξόρυξης και κατεδαφισμένα κατασκευαστικά υλικά. Ο Mahjoubi και η ομάδα του διαπίστωσαν ότι κατάλληλα υλικά είναι διαθέσιμα παγκοσμίως — και, πιο εντυπωσιακά, πολλά μπορούν να ενσωματωθούν σε μίγματα σκυροδέματος απλά με άλεση. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατόν να επιτευχθούν μειώσεις εκπομπών και κόστους χωρίς επιπλέον επεξεργασία.

Η δύναμη των κεραμικών

“Μερικά από τα πιο ενδιαφέροντα υλικά που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν μέρος του τσιμέντου είναι τα κεραμικά,” σημειώνει ο Mahjoubi. “Παλιά πλακάκια, τούβλα, κεραμικά — όλα αυτά τα υλικά μπορεί να έχουν υψηλή δραστικότητα. Αυτό είναι κάτι που έχουμε παρατηρήσει στο αρχαίο ρωμαϊκό σκυρόδεμα, όπου προστίθενταν κεραμικά για να βοηθήσουν στην αδιαβροχοποίηση των κατασκευών. Έχω κάνει πολλές ενδιαφέρουσες συζητήσεις για αυτό με τον καθηγητή Admir Masic, ο οποίος ηγείται πολλών μελετών για το αρχαίο σκυρόδεμα εδώ στο MIT.”

Η κυκλική οικονομία και το μέλλον

Η δυνατότητα χρήσης καθημερινών υλικών όπως τα κεραμικά και βιομηχανικών υλικών όπως τα υπολείμματα εξόρυξης είναι ένα παράδειγμα για το πώς υλικά όπως το σκυρόδεμα μπορούν να υποστηρίξουν μια κυκλική οικονομία. Αναγνωρίζοντας και επαναχρησιμοποιώντας υλικά που διαφορετικά θα κατέληγαν σε χωματερές, οι ερευνητές και η βιομηχανία μπορούν να βοηθήσουν να δοθεί μια δεύτερη ζωή σε αυτά τα υλικά ως μέρος των κτιρίων και των υποδομών μας.

Η επόμενη φάση της έρευνας

Κοιτάζοντας μπροστά, η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να αναβαθμίσει το πλαίσιο ώστε να είναι ικανό να αξιολογεί ακόμη περισσότερα υλικά, ενώ θα επικυρώνει πειραματικά μερικούς από τους καλύτερους υποψήφιους. “Τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης έχουν φέρει αυτή την έρευνα μακριά σε σύντομο χρονικό διάστημα, και είμαστε ενθουσιασμένοι να δούμε πώς οι τελευταίες εξελίξεις στα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα θα επιτρέψουν τα επόμενα βήματα,” λέει η καθηγήτρια Elsa Olivetti, κύρια συγγραφέας της εργασίας και μέλος του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του MIT. Επίσης, υπηρετεί ως διευθύντρια αποστολής του MIT Climate Project, κύρια ερευνήτρια στο CSHub και ηγέτιδα της Olivetti Group.

Η σημασία του σκυροδέματος

“Το σκυρόδεμα είναι η ραχοκοκαλιά του δομημένου περιβάλλοντος,” λέει ο Randolph Kirchain, συν-συγγραφέας και διευθυντής του CSHub. “Εφαρμόζοντας την επιστήμη δεδομένων και τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης στο σχεδιασμό υλικών, ελπίζουμε να υποστηρίξουμε τις προσπάθειες της βιομηχανίας να κατασκευάσει πιο βιώσιμα, χωρίς να συμβιβάζεται η αντοχή, η ασφάλεια ή η ανθεκτικότητα.”

Εκτός από τους Mahjoubi, Olivetti και Kirchain, συν-συγ