Ένας υπερυπολογιστής και υπερ-ισχυρές ακτίνες Χ φέρνουν τη νέα εποχή στις μπαταρίες
Στο Argonne National Laboratory γεννιέται μια επανάσταση που μπορεί να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται και αναπτύσσονται οι μπαταρίες του μέλλοντος. Οι ερευνητές συνδύασαν δύο από τα ισχυρότερα εργαλεία παγκοσμίως: τον υπερυπολογιστή Aurora, με περισσότερες από 60.000 GPUs και ικανότητα να εκτελεί πάνω από ένα πεντακισεκατομμύριο υπολογισμούς το δευτερόλεπτο, και το Advanced Photon Source (APS), έναν αναβαθμισμένο επιταχυντή σωματιδίων που πλέον παράγει ακτίνες Χ 500 φορές πιο ισχυρές από το παρελθόν.
Ο στόχος είναι ξεκάθαρος: η ανακάλυψη νέων υλικών για αποθήκευση ενέργειας με πρωτοφανή ταχύτητα. Πρόκειται για κρίσιμη πρόκληση, καθώς οι μπαταρίες είναι το κλειδί για την ηλεκτροκίνηση, τα δίκτυα ενέργειας, την αεροπορία αλλά και τη ναυτιλία. Όπως τονίζει ο Venkat Srinivasan, διευθυντής του ACCESS center στο Argonne, «οι μπαταρίες αποτελούν την τεχνολογία που θα κινεί τον σύγχρονο κόσμο, από τις μεταφορές και τα ηλεκτρικά δίκτυα έως τις προσωπικές συσκευές». Μέχρι σήμερα, η αναζήτηση νέων χημικών συνδυασμών απαιτούσε χρόνια. Με τον συνδυασμό Aurora και APS, η διαδικασία μπορεί να συμπυκνωθεί σε εβδομάδες – ίσως και σε λίγες μέρες.
Η δύναμη της παρατήρησης και των υπολογισμών
Η καινοτομία στηρίζεται στη σύζευξη πειραματικής παρατήρησης και υπολογιστικής επεξεργασίας. Το APS επιτρέπει πλέον να παρακολουθεί κανείς τι συμβαίνει μέσα σε μια μπαταρία κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση με ανάλυση που δεν είχε επιτευχθεί ποτέ ξανά. Μπορούν να εντοπιστούν ακόμα και μικροσκοπικά δομικά ελαττώματα που περιορίζουν τη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας. Ο Stefan Vogt, ειδικός στις ακτίνες Χ στο Argonne, εξηγεί ότι τώρα είναι εφικτό «να βλέπουμε τις μπαταρίες εν δράσει σε πραγματικό χρόνο, με ταχύτητα που δεν υπήρχε μέχρι σήμερα».
Από την άλλη, ο Aurora αναλαμβάνει να διαχειριστεί τον τεράστιο όγκο δεδομένων που παράγει το APS: πάνω από 100 petabytes κάθε χρόνο. Χάρη σε μια υπερυψηλής ταχύτητας σύνδεση μεταξύ των δύο συστημάτων, ο υπερυπολογιστής μπορεί να επεξεργάζεται τα δεδομένα την ίδια στιγμή που διεξάγεται το πείραμα, δίνοντας άμεση ανατροφοδότηση στους επιστήμονες. Αυτό επιτρέπει την προσαρμογή των δοκιμών χωρίς να σπαταλιέται πολύτιμος χρόνος δέσμης ακτίνων Χ.
Κομβικό ρόλο παίζει η τεχνητή νοημοσύνη. Μοντέλα όπως το AuroraGPT ή το PtychoNN μπορούν να αναλύσουν τα περίπλοκα μοτίβα των ακτίνων Χ και να προτείνουν νέα υλικά προς διερεύνηση.
Διαβάστε επίσης
Νέες τεχνικές παρατήρησης
Στο οπλοστάσιο του Argonne εντάσσεται και η πτιχογραφία (ptychography), μια προηγμένη τεχνική που επιτρέπει την ανακατασκευή εικόνων εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης χωρίς τη χρήση κλασικών φακών. Βασίζεται στην εκμετάλλευση της συμβολής του φωτός, με τον επιστήμονα Mark Wolfman να εξηγεί ότι «το αντικείμενο δεν παρατηρείται απευθείας, αλλά αντ’ αυτού συλλέγονται μοτίβα που πρέπει να ερμηνευτούν αντίστροφα για να δημιουργηθεί η τελική εικόνα».
Η μέθοδος αυτή ανοίγει νέους δρόμους στη μελέτη των εσωτερικών μηχανισμών μιας μπαταρίας, δίνοντας πληροφορίες που μέχρι πρότινος παρέμεναν κρυφές.
Το όραμα του αυτόνομου εργαστηρίου
Το μακροπρόθεσμο σχέδιο του Argonne είναι η δημιουργία ενός πλήρως αυτόνομου εργαστηρίου. Σε αυτό, νέοι χημικοί συνδυασμοί θα δοκιμάζονται άμεσα με ακτίνες Χ, τα αποτελέσματα θα αναλύονται από τον Aurora, και με βάση αυτά θα καθορίζεται ποιο θα είναι το επόμενο πείραμα. Μια αδιάκοπη αλυσίδα, με ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση, ικανή να συμπιέσει δραστικά τον χρόνο ανάπτυξης πιο ασφαλών, οικονομικών και λιγότερο εξαρτημένων από σπάνια μέταλλα μπαταριών.
Η προοπτική αυτή δεν είναι απλώς επιστημονικό όνειρο. Τη στηρίζει ενεργά το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, αναγνωρίζοντας τη στρατηγική σημασία που έχουν οι μπαταρίες για την ενεργειακή ασφάλεια και την τεχνολογική πρωτοκαθεδρία της χώρας.
Προς μια νέα εποχή στην ενέργεια
Η συνεργασία ανάμεσα στον Aurora και το APS δεν αφορά μόνο την ταχύτερη παραγωγή δεδομένων. Προαναγγέλλει μια αλλαγή φιλοσοφίας: την αξιοποίηση της υπερυπολογιστικής ισχύος και της τεχνητής νοημοσύνης ώστε να επιταχυνθεί η καινοτομία σε έναν τομέα που θα καθορίσει το μέλλον.
Αν το εγχείρημα πετύχει, οι μπαταρίες που σήμερα χρειάζονται χρόνια για να αναπτυχθούν θα μπορούν να σχεδιάζονται και να δοκιμάζονται σε ελάχιστο χρόνο, ανοίγοντας τον δρόμο για ηλεκτρικά οχήματα με μεγαλύτερη αυτονομία, αποθήκευση ενέργειας για πιο αξιόπιστα δίκτυα, αλλά και εφαρμογές σε αεροπορία και ναυτιλία.
[via]
Διαβάστε επίσης
