Ricerca sui materiali da costruzione: il super calcestruzzo green lo progetta l’AI

Nella progettazione e nella ricerca sui materiali da costruzione durevoli, sostenibili e performanti è possibile contare su un prezioso alleato: l’intelligenza artificiale.

Alcuni scienziati della USC (University of Southern California) Viterbi School of Engineering hanno sviluppato un modello in grado di simulare contemporaneamente il comportamento di miliardi di atomi. Questo apre nuove possibilità per la progettazione e la scoperta di materiali “su scale senza precedenti”, affermano coloro che lo hanno messo a punto.

Grazie a questo modello di AI è possibile arrivare a progettare materiali come il calcestruzzo a zero emissioni di CO₂, capace di elevata durabilità e di sostenibilità ambientale.

L’approccio di ricerca sui materiali da costruzione

La ricerca sui materiali da costruzione è da tempo attiva nel cercare di mettere a punto soluzioni in grado di combinare elevate prestazioni e durata con un ridotto impatto ambientale. Queste finalità hanno stimolato il lavoro di due professori della USC Viterbi: Aiichiro Nakano, docente di informatica, fisica e astronomia e biologia quantitativa e computazionale, e Ken-Ichi Nomura, docente di ingegneria chimica e scienza dei materiali.

I due luminari, che hanno operato insieme ad altri due colleghi della stessa università, si sono concentrati sulla realizzazione di un metodo di simulazione molecolare decisamente più ampio di quello tradizionale. Mentre gli attuali metodi sono limitati a sistemi con migliaia o milioni di atomi, il loro modello di simulazione, denominato Allegro-FM, ha dimostrato un’efficienza del 97,5% simulando più di quattro miliardi di atomi sul supercomputer Aurora dell’Argonne National Laboratory, uno dei più grandi e antichi laboratori nazionali di ricerca degli Stati Uniti.

Il progetto Allegro-FM può contare, quindi, su una capacità di calcolo circa mille volte maggiore rispetto agli approcci convenzionali.

Le potenzialità del machine learning combinate al supercomputer

Il modello di AI, supportato dalle notevoli capacità del supercomputer, ha impresso una significativa accelerazione alla ricerca sui materiali da costruzione.

“Normalmente, per simulare il comportamento degli atomi, i professori avrebbero bisogno di una serie precisa di formule matematiche o, come le definisce Nomura, ‘fenomeni quantomeccanici profondi e complessi’”.

Ora grazie a questa svolta basata sul machine learning i ricercatori che hanno messo a punto Allegro-FM possono arrivare a prevedere con precisione le funzioni di interazione tra gli atomi, ovvero come essi reagiscono e interagiscono tra loro. Normalmente, tali funzioni richiederebbero numerose simulazioni individuali.

Un’altra scoperta fatta, con Allegro-FM, per ora su base teorica riguarda la possibilità di recuperare l’anidride carbonica emessa durante il processo di produzione del calcestruzzo e reintrodurla nel materiale che ha contribuito a produrre. Così è possibile giungere al calcestruzzo a zero emissioni di anidride carbonica.

Da emettitore a pozzo di carbonio: così può cambiare il calcestruzzo

Nakano e Nomura hanno condotto ricerche su quello che chiamano “sequestro di CO₂”, ovvero il processo di ricattura dell’anidride carbonica e del suo stoccaggio.

Grazie alla possibilità di simulare in tempo reale miliardi di atomi, Allegro-FM può testare virtualmente diverse composizioni chimiche del calcestruzzo prima di affrontare costosi esperimenti nel mondo reale. Questo potrebbe accelerare lo sviluppo di un calcestruzzo che agisca come un pozzo di carbonio invece di essere fonte di CO₂. Una possibilità straordinaria, se si considera che oggi la produzione di calcestruzzo è responsabile dell’8% delle emissioni globali di anidride carbonica.

Il modello copre anche 89 elementi chimici ed è in grado di prevedere il comportamento molecolare per applicazioni che spaziano dalla chimica del cemento allo stoccaggio del carbonio.

Queste nuove opportunità aprono a scenari di grande interesse nella ricerca sui materiali da costruzione, per progettare un calcestruzzo molto più durevole, in maniera simile a quello degli antichi Romani: se quello moderno dura in media solo circa 100 anni, quello antico durava oltre duemila anni. Ma il recupero di CO₂ può contribuire anche a questo.

Ora, si tratta di passare dall’attività sperimentale alla realizzazione del materiale. La ricerca dei due scienziati, pubblicata sulla rivista scientifica Journal of Physical Chemistry Letters, è tutt’altro che concluso, come hanno previsto loro stessi. Hanno affermato di voler proseguire “sul concreto, realizzando geometrie e superfici più complesse”.

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