PrISMa pokonuje „dolinę śmierci”

Naukowcy wprowadzili PrISMa, przełomową platformę integrującą zaawansowane symulacje i uczenie maszynowe przyspieszenie odkrycia i wdrożenia materiałów wychwytujących dwutlenek węgla.

Platforma ta ocenia potencjalne materiały w kompleksowym procesie obejmującym chemię kwantową i ocenę cyklu życia, co okazuje się skuteczne w globalnych studiach przypadków i znacznie obniża koszty w branżach takich jak produkcja cementu.

Główną przeszkodą dla technologii zerowych netto w walce ze zmianami klimatycznymi jest wypełnienie luki pomiędzy badaniami podstawowymi a ich zastosowaniem w świecie rzeczywistym.

Ta luka, czasami nazywana „doliną śmierci”, jest powszechna w dziedzinie wychwytywania dwutlenku węgla, gdzie do usuwania dwutlenku węgla ze spalin wytwarzanych w procesach przemysłowych stosuje się nowatorskie materiały. Zapobiega to przedostawaniu się węgla do atmosfery, pomagając złagodzić skutki zmian klimatycznych.

Chemicy zaproponowali i zsyntetyzowali tysiące nowych materiałów, takich jak struktury metaloorganiczne, których konkretnym celem jest wychwytywanie jak największej ilości dwutlenku węgla. Chociaż wyniki mogą wyglądać obiecująco w warunkach laboratoryjnych, trudno jest określić skuteczność tych materiałów w rzeczywistych scenariuszach. W rezultacie szanse na to, że ktokolwiek kiedykolwiek przekroczy dolinę śmierci, są nikłe.

Pionierskie rozwiązania

Obecnie zespół naukowców z Uniwersytetu Heriot-Watt stoi za pionierską platformą o nazwie PrISMa (projektowanie dostosowanych do potrzeb materiałów sorbentowych na podstawie informacji procesowych), która wykorzystuje zaawansowane symulacje i uczenie maszynowe w celu znalezienia najbardziej opłacalnego i zrównoważonego procesu wychwytywania materiałów kombinacje przed wdrożeniem.

Platformę i powiązane z nią badania opublikowano niedawno w czasopiśmie o międzynarodowej renomie, Natura.

Profesor Susana Garcia kierowała badaniem i jest koordynatorką projektu PrISMa. Jest także zastępcą dyrektora ds. wychwytywania, utylizacji i składowania dwutlenku węgla (CCUS) w Centrum Badawczym ds. Rozwiązań Węglowych (RCCS) na Uniwersytecie Heriot-Watt w Edynburgu w Szkocji.

Wyjaśnia: „W ciągu ostatniej dekady włożono wiele wysiłku w identyfikację obiecujących materiałów zdolnych do wychwytywania CO₂.

„Chemicy zaproponowali tysiące nowatorskich materiałów porowatych, ale nie dysponowaliśmy narzędziami, aby szybko ocenić, czy którekolwiek materiały są obiecujące w procesie wychwytywania dwutlenku węgla. Ocena takich materiałów wymaga wielu danych eksperymentalnych i szczegółowej wiedzy na temat procesu wychwytu. Oraz uważna ocena ekonomiki i ocena cyklu życia procesu.

„Nie możemy oczekiwać, że chemicy będą posiadać całą tę wiedzę. Tutaj PrISMa może zrobić ogromną różnicę. Platforma PrISMa to narzędzie do modelowania, które integruje różne aspekty wychwytywania dwutlenku węgla, w tym materiały, projektowanie procesów, analizę ekonomiczną i ocenę cyklu życia. Wykorzystujemy chemię kwantową, symulację molekularną i uczenie maszynowe, aby przewidzieć w przypadku nowych materiałów wszystkie dane potrzebne do zaprojektowania procesu. Alternatywnie możemy wykorzystać dane eksperymentalne z materiałów syntetyzowanych w laboratorium. Następnie platforma oceniła ich działanie w ponad 60 różnych studiach przypadków z całego świata”.

Profesor Garcia kontynuuje: „To innowacyjne podejście przyspiesza odkrywanie najskuteczniejszych materiałów do wychwytywania dwutlenku węgla, przewyższając tradycyjne metody prób i błędów. Platforma może również informować różnych interesariuszy, zapewniając inżynierom opcje identyfikacji czynników stanowiących wyzwanie pod względem ekonomicznym i środowiskowym na etapie projektowania optymalnych technologii wychwytywania, celów projektowania molekularnego dla chemików i kluczowych punktów środowiskowych dla materiałów, korzyści z lokalnej integracji dla CO₂ producentów i najlepsze lokalizacje dla inwestorów.”

PrISMa: narzędzie zmieniające wychwytywanie dwutlenku węgla

PrISMa już przynosi imponujące wyniki, a platforma została wykorzystana do dokładnej symulacji wdrażania technologii wychwytywania dwutlenku węgla w cementowniach zlokalizowanych w różnych regionach świata. Znaleziono odpowiednie materiały dla każdej lokalizacji, obniżając koszty o połowę w porównaniu z poprzednimi technologiami.

PrISMa oferuje również interaktywne narzędzie, które pozwala użytkownikom odkrywać potencjał ponad 1200 materiałów do zastosowań w wychwytywaniu dwutlenku węgla.

Poszerzanie granic technologicznych dzięki uczeniu maszynowemu

„Identyfikacja większej liczby najskuteczniejszych materiałów wychwytujących dwutlenek węgla zwiększa prawdopodobieństwo awansu niektórych z nich na wyższy poziom gotowości technologicznej” – kontynuuje profesor Garcia.

Fergus Mcilwaine, doktorant kierujący zajęciami z zakresu uczenia maszynowego w zespole profesora Garcii, dodał: „Przeglądanie tak dużej liczby materiałów wymaga ogromnej ilości czasu obliczeniowego. Opracowaliśmy model uczenia maszynowego, który znacznie przyspiesza ten proces, umożliwiając nam odkrywanie opłacalnych materiałów w ogromnych przestrzeniach projektowania chemicznego.

PrISMa jest prowadzona przez Uniwersytet Heriot-Watt we współpracy z naukowcami ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie (EPFL) i ETH Zurich, Lawrence Berkeley National Laboratory i University of California Berkeley w USA oraz Institut des Matériaux Poreux de Paris we Francji. Projekt otrzymał dofinansowanie z Programu ACT, Fundacji Ochrony Środowiska Grantham i Fundacji im Centrum badań i innowacji w zakresie dekarbonizacji przemysłu (IDRIC).

Profesor Garcia podsumował: „To badanie podkreśla potrzebę stosowania całościowego podejścia przy ocenie technologii pod kątem osiągnięcia naszych celów w zakresie zerowej emisji netto. Platforma przyspiesza odkrywanie materiałów do zastosowań w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla i koncentruje wysiłki badawczo-rozwojowe na osiągalnych celach wydajnościowych na dużą skalę.

„To narzędzie może ogromnie pomóc w naszych obecnych wysiłkach na rzecz dekarbonizacji przemysłu. Może odegrać kluczową rolę w informowaniu o strategiach inwestycyjnych i decyzjach politycznych w sprawie bardziej zrównoważonych i opłacalnych rozwiązań w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla”.

Odniesienie: „Holistyczna platforma do przyspieszania wychwytywania dwutlenku węgla w oparciu o sorbent” autorstwa: Charithea Charalambous, Elias Moubarak, Johannes Schilling, Eva Sanchez Fernandez, Jin-Yu Wang, Laura Herraiz, Fergus Mcilwaine, Shing Bo Peh, Matthew Garvin, Kevin Maik Jablonka, Seyed Mohamad Moosavi, Joren Van Herck, Aysu Yurdusen Ozturk, Alireza Pourghaderi, Ah-Young Song, Georges Mouchaham, Christian Serre, Jeffrey A. Reimer, André Bardow, Berend Smit i Susana Garcia, 17 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07683-8