Molte domande circondano come risolvere al meglio i numerosi problemi che coinvolgono una gestione efficiente delle nostre preziose risorse idriche. Abbiamo posto alcune domande sulla scienza e l'ingegneria dell'acqua di Junhong Chen, capo stratega dell'acqua presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e professore di ingegneria molecolare presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago. Prima di venire a Chicago, Chen è stato direttore del programma per il programma Engineering Research Centers della National Science Foundation degli Stati Uniti.

D:In che modo la ricerca sull'acqua è importante per le esigenze della nazione di energia sostenibile, prosperità economica e sicurezza?

R:L'acqua è una risorsa indispensabile della nostra società in quanto è necessaria per sostenere la vita e la prosperità economica. Per esempio, l'acqua è necessaria per produrre quasi tutto, dall'energia al cibo, Abiti, auto ed elettronica. È, così, parte integrante della nostra vita al di là del semplice dissetarsi. La nostra economia futura e la sicurezza nazionale dipendono fortemente dalla disponibilità di acqua pulita. Però, c'è una fornitura limitata di acqua dolce rinnovabile senza sostituti. Popolazione e crescita economica, il cambiamento climatico e l'urbanizzazione aggravano ulteriormente il crescente stress idrico a livello globale. Come tale, abbiamo urgente bisogno di soluzioni scientifiche e ingegneristiche per ottenere una gestione più efficiente delle nostre preziose risorse idriche. Ricerca e innovazione intorno alla conservazione dell'acqua, raccolta differenziata, la bonifica e il riutilizzo sono fondamentali per soddisfare le esigenze nazionali. In risposta all'imminente crisi idrica, la Casa Bianca ha avviato una grande sfida per la sicurezza idrica, guidato da DOE. Il suo obiettivo è far progredire la tecnologia di trasformazione e l'innovazione per soddisfare l'esigenza globale di sicurezza, acqua sicura e conveniente.

D:Qual è la strategia di Argonne per contribuire alla scienza dell'acqua nel prossimo futuro?

R:Abbiamo chiamato lo sforzo idrico di Argonne "Acqua + IA". La nostra missione è perseguire la scienza e l'ingegneria dell'acqua potenziate dall'intelligenza artificiale (AI). La nostra strategia di base è sfruttare la potenza dell'IA per affrontare la DOE Water Security Grand Challenge e le numerose sfide scientifiche relative al nesso tra energia e acqua. Ciò comporterà il collegamento tra le comunità di ricerca sull'intelligenza artificiale e sull'acqua. La strategia Water + AI di Argonne è disponibile online.

D:Quali capacità uniche apporta Argonne a Water + AI?

R:Argonne ha tre capacità principali che ci posizionano in modo univoco per affrontare le pressanti sfide idriche della nazione. Primo, Argonne offre una vasta gamma di competenze sotto lo stesso tetto, compresa la scienza dei materiali, chimica, fisica, biologia, ingegneria, produzione, intelligenza artificiale/apprendimento automatico, calcolo ad alte prestazioni, analisi della sostenibilità e scienza e ingegneria quantistica. Questa competenza straordinariamente ampia può essere sfruttata per affrontare le sfide sociali più complesse legate all'acqua.

Secondo, Argonne ha lanciato la sua iniziativa "AI for Science" e sta assumendo un ruolo di primo piano nei laboratori nazionali del DOE nello sviluppo delle basi matematiche, hardware, Software, dati, partnership e infrastrutture necessarie per far progredire l'IA. La lunga storia di Argonne di progressi pionieristici nell'intelligenza artificiale consentirà soluzioni di trasformazione per l'acqua che altrimenti sarebbero impossibili.

Finalmente, Argonne ha a sua disposizione strutture di ricerca di livello mondiale, come Advanced Photon Source (APS), Centro per i materiali su scala nanometrica (CNM), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) e Materials Engineering Research Facility (MERF). L'APS, CNM e ALCF sono tutte strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE. L'APS offre ultraluminosi, raggi X ad alta energia applicabili per sondare le interfacce acqua-materiale e persino per osservare i processi chimici che avvengono su scala nanometrica. Il CNM è una struttura per utenti di prim'ordine per la nanoscienza interdisciplinare e la ricerca sulle nanotecnologie che affronta le grandi sfide nazionali come quelle poste dall'acqua. Nel 2022, l'ALCF aggiungerà come risorsa informatica il nuovo supercomputer a esascala Aurora, che fornirà una capacità senza precedenti per la simulazione di interfacce acqua-materiale con le più piccole risoluzioni spaziali e temporali. Argonne è già sede del computer AI più veloce al mondo, il sistema Cerebras CS-1. Il MERF applica tecnologie avanzate di sintesi e di elaborazione per sviluppare processi di produzione scalabili per materiali sperimentali di nuova invenzione, compresi i materiali per l'acqua, in modo che possano diventare disponibili per la valutazione industriale, prototipazione e ulteriori ricerche.

D:Quali sono alcuni dei risultati significativi di Argonne nello spazio della ricerca sull'acqua?

R:I ricercatori di Argonne hanno dato numerosi contributi pionieristici alla scienza dell'acqua. Un esempio recente è l'osservazione dei processi chimici più veloci nella decomposizione delle molecole d'acqua causati dalle radiazioni, la comprensione di ciò è di fondamentale importanza in diverse aree come i reattori nucleari raffreddati ad acqua e la ricerca medica sul danno genomico indotto dalle radiazioni. Un altro esempio è l'uso di modelli di reti neurali artificiali combinati con l'apprendimento automatico (ML) per prevedere le proprietà chiave dell'acqua. Argonne ha anche sviluppato importanti tecnologie licenziabili, compresa la Spugna Oleo. Questa spugna riutilizzabile può recuperare olio e altri prodotti petroliferi dai corpi idrici dopo fuoriuscite e perdite, superando le tecnologie standard del settore in molti modi.

Vale anche la pena ricordare che, in riconoscimento delle capacità di Argonne nello spazio di ricerca sull'acqua, Il DOE ha selezionato l'Argonne National Laboratory nel 2018 per guidare l'Advanced Materials for Energy-Water Systems Center (AMEWS), un DOE Energy Frontier Research Center.

D:In quali aree di ricerca in Water + AI vede crescere Argonne nel prossimo decennio?

R:Con la strategia Acqua + AI, Argonne farà grandi passi avanti nello sviluppo di tre tipi di sistemi idrici intelligenti nel prossimo decennio. Questi sono sistemi idrici adatti allo scopo, sistemi energetici ad acqua, e sistemi di gestione dell'acqua. Il successo richiederà una crescita in sei aree:materiali per l'acqua, sensori e comandi dell'acqua, separazione selettiva, modellazione e AI/ML, produzione, e sostenibilità.

Una delle aree di crescita della sostenibilità ora affrontate con l'intelligenza artificiale ad Argonne è la sfida attorno a un contaminante, sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS). Esistono migliaia di composti PFAS. sono nel cibo, prodotti per la casa commerciali, pentole, luogo di lavoro, organismi viventi, bevendo acqua, e acque sotterranee. Rappresentano una sfida nazionale significativa in termini di effetti nocivi sulla salute e riutilizzo dell'acqua, e il costo stimato della pulizia nazionale è di miliardi di dollari. Risolvere questa sfida avrebbe importanti implicazioni per il riciclaggio dell'acqua, poiché dobbiamo estrarre qualsiasi PFAS prima del riutilizzo dell'acqua.

D:Qual è l'unica cosa fondamentale che vuoi che le persone sappiano su Water + AI ad Argonne?

R:La strategia Water + AI di Argonne trasformerà potenzialmente il settore idrico offrendo soluzioni convenienti e socialmente responsabili alle numerose sfide. Realizzeremo questa visione attraverso partnership con i nostri stakeholder, compreso locale, governo statale e federale, collaboratori accademici e di laboratorio nazionale, partner industriali, organizzazione no profit, e poli di sviluppo economico regionale. Perciò, non vediamo l'ora di sviluppare partnership con gli attuali collaboratori e di costruire partnership con quelli nuovi.