Paliwo wodorowe oferuje drogę do czystej energii, ale praktyczne wdrożenie zależy od wydajnych rozwiązań w zakresie magazynowania. Obecne metody — zbiorniki wysokociśnieniowe lub chłodzenie kriogeniczne — zużywają znaczne ilości energii, niwecząc korzyści środowiskowe płynące z wodoru. Wodorki metali, materiały absorbujące i uwalniające wodór w sposób odwracalny, stanowią obiecującą alternatywę. Niedawne badania z wykorzystaniem nowej platformy sztucznej inteligencji ujawniły podstawowe właściwości atomowe, które decydują o wydajności magazynowania wodoru, co potencjalnie przyspiesza odkrywanie doskonałych materiałów.
Platforma cyfrowa dla wodoru: nowe narzędzie w nauce o materiałach
Naukowcy z Uniwersytetu Tohoka opracowali platformę cyfrową dla wodoru (DigHyd), infrastrukturę sztucznej inteligencji, która integruje ponad 5000 starannie dobranych danych eksperymentalnych. Platforma ta w połączeniu z zaawansowanym modelem językowym umożliwia dokładne przewidywanie wydajności magazynowania wodoru. Praca opublikowana w Chemical Science oznacza zwrot w kierunku nauki o materiałach opartej na danych.
Interpretowalna sztuczna inteligencja ujawnia kluczowe deskryptory atomowe
W badaniu systematycznie analizowano modele możliwe do fizycznej interpretacji, identyfikując masę atomową, elektroujemność, gęstość molową i współczynnik wypełnienia jonami jako krytyczne deskryptory efektywności magazynowania wodoru. W przeciwieństwie do nieprzejrzystych podejść do uczenia maszynowego wykorzystujących czarną skrzynkę, model regresji białej skrzynki DigHyd zachowuje pełną przejrzystość, ujawniając, w jaki sposób tworzone są przewidywania. Ta możliwość interpretacji pozwala naukowcom zrozumieć, dlaczego niektóre materiały są lepsze od innych, co pozwala ukierunkować wysiłki projektowe.
Podstawowy kompromis w sprawie wodorków metali
Badanie potwierdziło długotrwały kompromis w projektowaniu wodorków metali: lekkie związki elektrododatnie wykazują dużą zdolność magazynowania, ale słabo uwalniają wodór w temperaturze pokojowej, podczas gdy cięższe metale przejściowe uwalniają wodór łatwiej, ale z mniejszą pojemnością. Co zaskakujące, stopy na bazie berylu okazały się unikalnymi systemami zdolnymi zrównoważyć te sprzeczne cechy, oferując zarówno wysoką gęstość przechowywania, jak i odpowiednią stabilność termodynamiczną.
Przyspieszenie odkrywania materiałów: nowy paradygmat
W ramach tej pracy ustanowiono skalowalną metodologię przyspieszającą odkrywanie materiałów w badaniach nad energią. Podejście oparte na deskryptorach łączy analizę opartą na danych ze zrozumieniem fizyki, zapewniając przejrzystą podstawę do projektowania materiałów do magazynowania wodoru o dużej pojemności. Podejście to można rozszerzyć na złożone stopy i struktury porowate, torując drogę do bezpiecznych, wydajnych i neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla technologii energetycznych.
„Ten białoskrzynkowy model regresji nie tylko pozwala na dokładne prognozy, ale także zachowuje pełną interpretowalność fizyczną” – wyjaśnia Hao Li, wybitny profesor w Instytucie Zaawansowanych Materiałów (WPI-AIMR) na Uniwersytecie Tohoka.
Badania te stanowią kluczowy krok w kierunku przezwyciężenia przeszkody w zakresie magazynowania energii, która od dawna powstrzymuje powszechne przyjęcie wodoru jako czystego źródła paliwa. Połączenie analizy opartej na sztucznej inteligencji i podstawowej wiedzy fizycznej może przyspieszyć rozwój systemów magazynowania wodoru nowej generacji.
