Il settore del cemento è responsabile di circa l’otto percento delle emissioni globali di CO2, superando persino l’intero settore dell’aviazione mondiale. I ricercatori del Paul Scherrer Institute (PSI) hanno sviluppato un modello basato sull’intelligenza artificiale che accelera la scoperta di nuove formulazioni di cemento, mantenendo la stessa qualità del materiale ma con un’impronta di carbonio migliorata.
Le temperature elevate nei forni rotativi delle cementerie, che raggiungono i 1.400 gradi Celsius, sono necessarie per trasformare il calcare macinato in clinker, la materia prima per il cemento pronto all’uso. Queste temperature non possono essere raggiunte solo con l’elettricità, ma richiedono processi di combustione ad alta intensità energetica che emettono grandi quantità di CO2. Tuttavia, sorprendentemente, il processo di combustione rappresenta meno della metà di queste emissioni. La maggior parte della CO2 è contenuta nei materiali grezzi necessari per produrre clinker e cemento: il calcare, durante la sua trasformazione nei forni ad alta temperatura, rilascia CO2 chimicamente legata.
Una strategia promettente per ridurre le emissioni è modificare la ricetta del cemento stesso, sostituendo parte del clinker con materiali cementizi alternativi. Questo è esattamente ciò che un team interdisciplinare del Laboratorio per la Gestione dei Rifiuti del Centro per l’Ingegneria Nucleare e le Scienze del PSI sta investigando. Invece di affidarsi esclusivamente a esperimenti lunghi o simulazioni complesse, i ricercatori hanno sviluppato un approccio di modellazione basato sul machine learning. “Questo ci permette di simulare e ottimizzare le formulazioni di cemento in modo che emettano significativamente meno CO2 mantenendo lo stesso alto livello di prestazioni meccaniche,” spiega la matematica Romana Boiger, prima autrice dello studio. “Invece di testare migliaia di variazioni in laboratorio, possiamo utilizzare il nostro modello per generare suggerimenti pratici di ricette in pochi secondi – è come avere un libro di cucina digitale per il cemento ecologico.”
Con il loro approccio innovativo, i ricercatori sono stati in grado di filtrare selettivamente quelle formulazioni di cemento che potrebbero soddisfare i criteri desiderati. “La gamma di possibilità per la composizione del materiale – che determina in ultima analisi le proprietà finali – è straordinariamente vasta,” afferma Nikolaos Prasianakis, capo del Gruppo di Ricerca sui Meccanismi di Trasporto al PSI, che è stato l’iniziatore e co-autore dello studio. “Il nostro metodo ci consente di accelerare significativamente il ciclo di sviluppo selezionando candidati promettenti per ulteriori indagini sperimentali.” I risultati dello studio sono stati pubblicati nella rivista Materials and Structures.
Già oggi, sottoprodotti industriali come la scoria della produzione di ferro e la cenere volante delle centrali a carbone vengono utilizzati per sostituire parzialmente il clinker nelle formulazioni di cemento, riducendo così le emissioni di CO2. Tuttavia, la domanda globale di cemento è così enorme che questi materiali da soli non possono soddisfare il fabbisogno. “Ciò di cui abbiamo bisogno è la giusta combinazione di materiali disponibili in grandi quantità,” conclude Prasianakis.
Fonte: Science Daily
