الذكاء الاصطناعي يكتشف الوصفات المثلى للاسمنت صديق البيئة في غضون ثوان

ملخص الخلفية والمشكلة تعد صناعة الإسمنت من أكبر المصادر الملوثة للبيئة، حيث تساهم في حوالي 8% من الانبعاثات العالمية لثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو نسبة أكبر من تلك التي تنتجها صناعة الطيران بأكملها. يتم تسخين الأفران الدوارة في مصانع الإسمنت إلى درجة حرارة تبلغ حوالي 1,400 درجة مئوية لتحويل الحجر الجيري المسحوق إلى الكلنكر، وهو المادة الخام لإنتاج الإسمنت الجاهز للاستخدام. ومع أن مثل هذه الحرارة الشديدة لا يمكن الوصول إليها بالكهرباء وحدها، فإن الانبعاثات الناتجة عن عملية الاحتراق تشكل أقل من نصف الانبعاثات الكلية. الجزء الأكبر من الانبعاثات يأتي من المواد الخام اللازمة لإنتاج الكلنكر والإسمنت، حيث يتم إطلاق CO2 المحتجز كيميائيًا في الحجر الجيري أثناء تحوله في الأفران عالية الحرارة. الحل التقني فريق بحثي متنوع من معهد بول شيرر للعلوم (PSI) قد طور نموذجًا استنادًا إلى الذكاء الاصطناعي يساعد في تسريع اكتشاف وصياغة خلطات الإسمنت الجديدة التي يمكن أن تحقق نفس جودة المادة مع انبعاثات كربونية أقل. بدلاً من الاعتماد على التجارب المكلفة زمنيًا أو المحاكاة المعقدة، استخدم الباحثون نهجًا قائمًا على التعلم الآلي. "يساعد هذا النهج في محاكاة وتحسين خلطات الإسمنت بحيث تصدر انبعاثات أقل بكثير من ثاني أكسيد الكربون مع الحفاظ على نفس المستوى العالي من الأداء الميكانيكي"، كما يوضح رومانا بوغر، أول مؤلفي الدراسة وهي رياضية. العملية استخدم الفريق بيانات تم توليدها باستخدام برنامج التحليل الحراري المفتوح المصدر (GEMS) الذي طوره PSI، حيث حسبوا المعادن التي تتشكل أثناء تصلب الإسمنت والعمليات الجيوكيميائية التي تحدث. تم دمج هذه النتائج مع البيانات التجريبية وال📐 نماذج ميكانيكية لتتمكن من استنتاج مؤشر موثوق للأداء الميكانيكي وبالتالي جودة المادة. لكل مادة مستخدمة، تم تطبيق قيمة انبعاثات CO2 محددة مما مكنهم من حساب الانبعاثات الكلية. "كان هذا نموذجًا حاسوبيًا معقدًا ومكلفًا للغاية"، يقول العالِم. فوائد الذكاء الاصطناعي بعد تدريب الشبكة العصبية، أصبح بإمكان النموذج حساب الخواص الميكانيكية لأي خلطة إسمنت في ملي ثانية بدلاً من الثوانى أو الدقائق، أي بسرعة تصل إلى ألف مرة أكثر من المحاكاة التقليدية. "بدلاً من التجربة العمياء لآلاف الخلطات، يمكننا استخدام نموذجنا للحصول على اقتراحات عملية للخلطات في ثوانٍ معدودة - كما لو كان لدينا كتاب طبخ رقمي لإسمنت صديق للبيئة"، تشير بوغر. النهج العكسي لتحديد الخلطات الأمثل التي تجمع بين الانبعاثات المنخفضة والجودة العالية، استخدم الفريق نهجًا عكسيًا. بدلاً من تجربة جميع الخيارات، طرحوا السؤال بطريقة مختلفة: "ما هي خلطة الإسمنت التي تلبي المواصفات المطلوبة فيما يتعلق بموازنة CO2 وجودة المادة؟". يعتمد كل من الخواص الميكانيكية وانبعاثات CO2 مباشرة على الخلطة. "من الناحية الرياضية، تكون كلا المتغيرين دوالًا للتكوين - إذا تغير هذا التكوين، تتغير الخواص أيضًا"، تقول بوغر. لتحقيق ذلك، قام الفريق بدمج تقنيات الذكاء الاصطناعي الأخرى، مثل الخوارزميات الجينية، وهي طرق مساعدة بالحاسوب مستوحاة من الانتقاء الطبيعي. هذا أتاح لهم تحديد الخلطات التي تجمع بين الهدفين بفعالية. النتائج والتقييم بين الخلطات التي تم تحديدها، هناك بعض المرشحين الواعدين. "بعض هذه الخلطات لديها إمكانات حقيقية، ليس فقط من حيث خفض CO2 وجودة الإنتاج، ولكن أيضًا من حيث الجدوى العملية في الإنتاج"، كما يقول جون بروفيز، رئيس فريق بحث الإسمنت في PSI وكبير مؤلفي الدراسة. ومع ذلك، يجب اختبار هذه الخلطات في المختبر قبل تطبيقها عمليًا. "لن نبني برجًا بها فورًا دون اختبارها أولاً"، يقول نيكولاوس براسياناكيس مع ابتسامة. الإمكانات المستقبلية تعد هذه الدراسة بمثابة دليل مفهوم يثبت أن الخلطات الواعدة يمكن تحديدها بالحسابات الرياضية فحسب. يمكن توسيع أداة النمذجة بالذكاء الاصطناعي لتشمل جوانب أخرى مثل إنتاج المواد الخام أو توافرها، أو البيئة التي سيتم فيها استخدام المادة البناء، مثل البيئات البحرية أو الصحراوية. يرى براسياناكيس أن "هذا مجرد بداية، حيث أن الوقت الذي يتم توفيره بهذه الطريقة العامة ضخم، مما يجعله نهجًا واعدًا لتصميم جميع أنواع المواد والنماذج". التعاون والدعم لم يكن للمشروع أن يتحقق بدون الخلفية التخصصية المتعددة للباحثين، والتي تضمنت كيميائيي الإسمنت، خبراء الديناميكا الحرارية، ومختصي الذكاء الاصطناعي، بالإضافة إلى التعاون مع مؤسسات بحثية أخرى مثل EMPA ضمن إطار مشروع SCENE. SCENE (المركز السويسري للتفوق في الانبعاثات الصفرية) هو برنامج بحثي متعدد التخصصات يهدف إلى تطوير حلول علمية لخفض الانبعاثات الغازية الدفيئة في الصناعة وتوفير الطاقة بشكل كبير. تقييم الحدث من قبل المختصين يعتبر هذا التطور خطوة مهمة في مجال صناعة الإسمنت وحماية البيئة. يرى العديد من الخبراء أن استخدام الذكاء الاصطناعي في صياغة خلطات الإسمنت يمكن أن يساهم بشكل كبير في تحقيق أهداف التخفيف من تغير المناخ. تقدم هذه الطريقة حلاً فعالًا واقتصاديًا لتخفيض الانبعاثات دون المساومة على جودة المنتج، وهو ما يعتبر تحديًا كبيرًا في الصناعة. نبذة عن شركة PSI يعد معهد بول شيرر للعلوم (PSI) أحد أهم المعاهد البحثية في سويسرا، يركز على تطوير التقنيات والحلول العلمية لقضايا البيئة والطاقة والصحة. يعمل المعهد على تطوير تقنيات الذكاء الاصطناعي والنمذجة الحرارية لتحسين العمليات الصناعية وخفض التأثير البيئي.