Artificiële intelligentie produceert duurzaam en sterk cement
Posted by managing21 on 23rd juni 2025
Onderzoekers van het Paul Scherrer Institute (PSI) in Zwitserland hebben een model met artificiële intelligentie ontwikkeld dat de ontdekking van nieuwe formules voor de fabricage van cement moet versnellen. Deze modellen moeten dezelfde materiaalkwaliteit opleveren, terwijl tegelijkertijd een verkleining van de ecologische voetafdruk van de productie kan worden gegarandeerd. De studie kan een grote bijdrage leveren in de strijd tegen de klimaatverandering. De cementindustrie produceert immers ongeveer 8 procent van de wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide. Dat is meer dan de impact van de luchtvaartsector.
De draaiovens in cementfabrieken worden verhit tot een verzengende temperatuur van 1.400 graden Celsius. Dit moet toelaten om gemalen kalksteen te verbranden tot klinker, de grondstof voor gebruiksklaar cement. Het is niet verwonderlijk dat dergelijke temperaturen doorgaans niet louter met elektriciteit kunnen worden bereikt. Vaak zijn ze het resultaat van energie-intensieve verbrandingsprocessen die grote hoeveelheden koolstofdioxide uitstoten.
Opmerkelijk is echter dat het verbrandingsproces minder dan de helft van deze emissies veroorzaakt. Het grootste deel bevindt zich in de grondstoffen die nodig zijn voor de productie van klinker en cement. Koolstofdioxide, die chemisch gebonden is in de kalksteen, komt tijdens de transformatie in de ovens vrij.
Een veelbelovende strategie om emissies te verminderen is het aanpassen van het cement-recept zelf, waarbij een deel van de klinker wordt vervangen door alternatieve cementachtige materialen. De zoektocht naar nieuwe formules kan echter met tijdrovende experimenten of complexe simulaties gepaard gaan. Om dat probleem aan te pakken hebben wetenschappers van het Laboratory for Waste Management aan het Center for Nuclear Engineering and Sciences van het Paul Scherrer Institute een model ontwikkeld, waarbij van machine learning gebruik wordt gemaakt om nieuwe recepten te vinden.
“Dit stelt ons in staat om cement-recepten te optimaliseren, zodat ze aanzienlijk minder koolstofdioxide uitstoten en tegelijkertijd hetzelfde hoge mechanische prestatieniveau behouden”, benadrukken de onderzoekers Romana Boiger, John Provis en Nikolaos Prasianakis. “In plaats van duizenden variaties in het laboratorium te testen, kunnen we ons model gebruiken om binnen enkele seconden praktische suggesties voor recepten te genereren. Het is alsof we een digitaal kookboek voor klimaatvriendelijk cement hebben.”
Met deze nieuwe aanpak konden de onderzoekers een selectie maken van de recepten die aan de gewenste criteria voldeden. “De mogelijkheden voor de materiaalsamenstelling – die uiteindelijk de uiteindelijke eigenschappen bepaalt – zijn buitengewoon groot”, werpen de onderzoekers op. “Onze methode stelt ons in staat de ontwikkelingscyclus aanzienlijk te versnellen door veelbelovende kandidaten te selecteren voor verder experimenteel onderzoek.”
Cement leidt samen met zand, grind en water tot de vorming van beton, een bouwmateriaal dat bijna overal naartoe kan worden vervoerd en in vrijwel elke denkbare vorm kan worden gegoten. Beton is multifunctioneel en duurzaam, waardoor het een onmisbaar onderdeel is van onze infrastructuur. De enorme hoeveelheid cement die hiervoor nodig is, is echter bijna niet te bevatten.
“De wereld consumeert momenteel dagelijks ongeveer anderhalve kilogram cement per hoofd van de bevolking”, zeggen de onderzoekers. “Daarmee consumeert de wereld meer cement dan voedsel. Dit zijn onvoorstelbare hoeveelheden. Indien we het emissieprofiel van het cement met slechts enkele procenten zouden kunnen verbeteren, zou de uitstoot van koolstofdioxide drastisch kunnen worden teruggeschroefd. Die operatie zou gelijk staan met de uitstoot van duizenden of zelfs tienduizenden auto’s.”
Het juiste recept
Industriële bijproducten zoals slak uit de ijzerproductie en vliegas van steenkoolcentrales worden nu al gebruikt om klinker in het cement gedeeltelijk te vervangen en op deze manier de uitstoot van koolstofdioxide te verminderen. De wereldwijde vraag naar cement ligt echter zo enorm hoog, dat deze materialen alleen niet aan de behoefte kunnen voldoen. “Daarom is er nood aan een juiste combinatie van materialen die in grote hoeveelheden beschikbaar zijn en waaruit hoogwaardig, betrouwbaar cement kan worden geproduceerd”, beklemtonen de onderzoekers.
Het vinden van dergelijke combinaties is echter een uitdaging. “Cement is in feite een mineraal bindmiddel”, verduidelijken de wetenschappers. “In beton gebruiken we cement, water en grind voor de kunstmatige creatie van mineralen die het hele materiaal bij elkaar houden. Men zou kunnen zeggen dat we geologie in een stroomversnelling brengen. Er is daarbij sprake van een enorm complexe verzameling fysische processen. De modellering daarvan op een computer is overeenkomstig rekenintensief en duur. Daarom maken wij gebruik van kunstmatige intelligentie.”
Kunstmatige neurale netwerken zijn computermodellen die met behulp van bestaande data getraind worden om complexe berekeningen te versnellen. Deze netwerken leren om de relatieve sterkte van interne verbindingen aan te passen, zodat snel en betrouwbaar vergelijkbare relaties kunnen worden voorspeld. Dit reikt de onderzoekers een soort snelkoppeling, een sneller alternatief voor anders rekenintensieve fysische modellering, aan.
De onderzoekers van het Paul Scherrer Institute berekenden op die manier welke mineralen zich tijdens het uitharden vormen en welke geochemische processen daarbij plaatsvinden. Door deze resultaten te combineren met experimentele data en mechanische modellen, konden de onderzoekers een betrouwbare indicator voor de mechanische eigenschappen en daarmee ook voor de materiaalkwaliteit van het cement aanwijzen. Voor elke gebruikte component werd tevens de bijhorende uitstoot-factor ingevoerd. Hierdoor werd het mogelijk om voor elke oplossing de totale uitstoot van koolstofdioxide te bepalen.
“Dit was een bijzonder complexe en rekenintensieve oefening”, stipten de wetenschappers aan. “Maar de berekening van de mechanische eigenschappen van de willekeurige cement-recepten, kon hierdoor in enkele milliseconden worden afgewerkt. Dat is ongeveer duizend keer sneller dan met traditionele modellering. Dit maakt het gemakkelijker om te achterhalen welke cement-samenstelling optimaal voldoet aan de gewenste specificaties voor duurzaamheid en kwaliteit.”
“Zowel de duurzaamheid als de kwaliteit zijn rechtstreeks afhankelijk van de recept-keuze”, verduidelijken de onderzoekers nog. “Door het zoeken naar een samenstelling die tegelijkertijd de mechanische eigenschappen maximaliseert en de uitstoot van koolstofdioxide minimaliseert, kunnen we direct de gewenste formulering afleiden. Onder de cement-recepten die al werden geïdentificeerd, bevinden zich al enkele veelbelovende kandidaten. Sommige formules hebben echt potentieel, niet alleen op het gebied van duurzaamheid en kwaliteit, maar ook door een praktische haalbaarheid in de productie.”
De onderzoekers merken nog op dat bij de berekening van de formules nog een aantal parameters kunnen worden toegevoegd. “Daarbij kan rekening worden gehouden met de productie of beschikbaarheid van grondstoffen, maar ook met de omgeving waarin het bouwmateriaal – onder meer in een mariene omgeving, waar cement en beton zich anders gedragen – zich anders gedraagt”, verduidelijken ze.
Vooraleer de verkregen formules in de commerciële markt kunnen worden gebruikt, moeten de recepten echter eerst nog een reeks tests in laboratoria ondergaan. Toch stellen de onderzoekers zich optimistisch op. “Dit is nog maar het begin”, werpen ze op. “De tijdsbesparing die deze werkmethode biedt, is enorm”, werpen ze op. “Hierdoor wordt het concept ook een veelbelovende aanpak voor types van ontwerpen voor materialen en systemen.”
Posted in grondstoffen, immobiliën & constructie | Reacties uitgeschakeld voor Artificiële intelligentie produceert duurzaam en sterk cement