Современный мир построен с использованием бетона. Ежегодно люди используют больше бетона, чем любого другого материала, кроме воды. Однако цемент, ключевой компонент бетона, является источником до 10% всех выбросов углекислого газа в мире.
Для решения этой проблемы исследователи из Вашингтонского университета и Microsoft разработали новый тип низкоуглеродного бетона, смешивая высушенные и измельченные в порошок морские водоросли с цементом. Цемент, усиленный водорослями, имеет на 21% меньший потенциал глобального потепления при сохранении своей прочности. Благодаря использованию моделей машинного обучения команда разработала эту новую формулу за долю времени, которое обычно требуется для такой работы.
«Цемент повсюду — он является основой современной инфраструктуры, — но его производство сопряжено с огромными климатическими издержками», — сказала старший автор исследования Элефтерия Румели, доцент кафедры материаловедения и инженерии Вашингтонского университета.
«Что делает эту работу захватывающей, так это то, что мы показываем, как широко распространенный фотосинтетический материал, такой как зеленые морские водоросли, может быть включен в цемент для сокращения выбросов без необходимости дорогостоящей обработки или потери эксплуатационных характеристик».
Производство одного килограмма цемента приводит к выбросу почти одного килограмма CO2. Большая часть этих выбросов связана с использованием ископаемого топлива для нагрева сырья и с химической реакцией, называемой кальцинацией, которая происходит в процессе производства.
Морские водоросли, напротив, являются поглотителем углерода: они извлекают углерод из воздуха и накапливают его в процессе роста. Примечательно, что они могут напрямую заменить часть цемента в бетоне, значительно снижая углеродный след.
По оценкам Румели, на поиск идеальной смеси ингредиентов ушло бы пять лет методом проб и ошибок, поскольку для полного отверждения бетонного образца требуется около месяца, прежде чем его свойства можно точно оценить.
Чтобы ускорить процесс, команда разработала специальную модель машинного обучения и обучила её на начальном наборе из 24 формул цемента. Затем они использовали модель для прогнозирования оптимальных смесей для тестирования в лаборатории.
Возвращая результаты этих тестов обратно в модель, они смогли работать в тандеме с ней и быстро тестировать различные формулы. В результате за 28 дней была найдена оптимальная смесь цемента с добавлением морских водорослей, которая имеет уменьшенный углеродный след и успешно прошла испытания на прочность при сжатии.
«Машинное обучение сыграло ключевую роль в значительном сокращении времени на разработку — это особенно важно в данном случае, поскольку мы внедряем совершенно новый материал в цемент», — сказала Румели.
Далее команда планирует углубить понимание того, как состав и структура морских водорослей влияют на характеристики цемента. Более масштабная цель — обобщить эту работу на различные виды водорослей (или даже на пищевые отходы), чтобы производители по всему миру могли создавать местные, устойчивые альтернативы цементу — и использовать машинное обучение для их быстрой оптимизации.
«Сочетая природные материалы, такие как водоросли, с современными инструментами анализа данных, мы можем локализовать производство, сократить выбросы и быстрее двигаться к более экологичной инфраструктуре», — сказала Румели. «Это захватывающий шаг к новому поколению устойчивых строительных материалов».