Umělá inteligence míchá recept na beton: studie MIT

Týmy z Olivetti Group a MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) se intenzivně zaměřily na klíčovou otázku: Jak snížit množství cementu v betonu, aby se ušetřily náklady a emise?

Materiály jako popílek (vedlejší produkt výroby uhlí) a struska (vedlejší produkt výroby oceli) se již dlouho používají k nahrazení části cementu v betonových směsích. Požadavek po těchto produktech však překračuje nabídku, protože průmysl se snaží snížit svůj dopad na klima jejich rozšířeným používáním, čímž se hledání alternativ stává naléhavé. Problém, který tým objevil, nebyl nedostatek kandidátů; problém byl v tom, že jich bylo příliš mnoho na to, aby se jimi prošlo.

17. května tým vedený postdoktorandem Soroushem Mahjoubim publikoval otevřeně přístupný článek v časopise Nature Communications Materials, ve kterém shrnuje své řešení. „Uvědomili jsme si, že klíč k postupu vpřed je umělá inteligence,“ poznamenává Mahjoubi. „Existuje tolik dat o potenciálních materiálech – stovky tisíc stran vědecké literatury. Procházení jimi by trvalo mnoho lidských životů, a do té doby by se objevily další materiály!“

Pomocí velkých jazykových modelů, podobně jako chatboti, které mnoho z nás denně používá, tým vytvořil systém strojového učení, který hodnotí a třídí kandidátské materiály na základě jejich fyzikálních a chemických vlastností.

„Za prvé, existuje hydraulická reaktivita. Důvodem, proč je beton pevný, je to, že cement – ‚lepidlo‘, které ho drží pohromadě – tvrdne, když je vystaven vodě. Pokud tedy toto lepidlo nahradíme, musíme se ujistit, že náhrada reaguje podobně,“ vysvětluje Mahjoubi. „Za druhé, existuje pozzolanicita. To je, když materiál reaguje s hydroxidem vápenatým, vedlejším produktem vznikajícím, když se cement setká s vodou, aby se beton v průběhu času stal tvrdším a pevnějším. Musíme vyvážit hydraulické a pozzolanické materiály ve směsi, aby beton dosahoval optimálního výkonu.“

Analýzou vědecké literatury a více než 1 milionu vzorků hornin tým použil tento systém k roztřídění kandidátských materiálů do 19 typů, od biomasy přes vedlejší produkty těžby až po demolované stavební materiály. Mahjoubi a jeho tým zjistili, že vhodné materiály jsou dostupné globálně – a co je ještě působivější, mnoho z nich lze do betonových směsí začlenit pouhým rozemletím. To znamená, že je možné dosáhnout úspor emisí a nákladů bez velkého dalšího zpracování.

„Některé z nejzajímavějších materiálů, které by mohly nahradit část cementu, jsou keramika,“ poznamenává Mahjoubi. „Staré dlaždice, cihly, keramika – všechny tyto materiály mohou mít vysokou reaktivitu. To je něco, co jsme pozorovali u starověkého římského betonu, kde byla přidána keramika k voděodolnosti konstrukcí. O tom jsem si povídal s profesorem Admirem Masicem, který vede mnoho studií o starověkém betonu zde na MIT.“

Potenciál každodenních materiálů, jako je keramika, a průmyslových materiálů, jako jsou odpady z dolů, je příkladem toho, jak mohou materiály, jako je beton, pomoci umožnit oběhovou ekonomiku. Identifikací a opětovným použitím materiálů, které by jinak skončily na skládkách, mohou vědci a průmysl pomoci dát těmto materiálům druhý život jako součást našich budov a infrastruktury.

V budoucnu plánuje výzkumný tým vylepšit systém tak, aby dokázal posoudit ještě více materiálů, a zároveň experimentálně ověřit některé z nejlepších kandidátů. „Nástroje AI posunuly tento výzkum vpřed v krátkém čase a jsme nadšeni, jak nejnovější vývoj velkých jazykových modelů umožní další kroky,“ říká profesorka Elsa Olivetti, hlavní autorka práce a členka Katedry materiálových věd a inženýrství MIT. Působí jako ředitelka mise projektu MIT Climate Project, hlavní výzkumnice CSHub a vedoucí Olivetti Group.

„Beton je páteří zastavěného prostředí,“ říká Randolph Kirchain, spoluautor a ředitel CSHub. „Použitím nástrojů datové vědy a AI pro návrh materiálů doufáme, že podpoříme úsilí průmyslu o udržitelnější budování, aniž by se kompromitovala pevnost, bezpečnost nebo trvanlivost.“

Kromě Mahjoubiho, Olivettiové a Kirchaina jsou spoluautory práce postdoktorand MIT Vineeth Venugopal, Ipek Bensu Manav SM '21, PhD '24; a zástupce ředitele CSHub Hessam AzariJafari.