Sostituzione dei materiali: l'intelligenza artificiale aiuta nella ricerca di alternative
Un sistema intelligente cerca nelle pubblicazioni scientifiche i sostituti delle materie prime critiche, ad esempio nelle batterie
Mancanza di sicurezza dell'approvvigionamento, prezzi troppo alti, ottimizzazione tecnica, divieti: Le ragioni per cui le aziende devono sostituire singole materie prime o materiali con altri sono molteplici. La ricerca di alternative richiede molto tempo e spesso si conclude con un fallimento. Un gruppo di ricerca del Fraunhofer IPA ha ora sviluppato uno strumento supportato dall'intelligenza artificiale per la sostituzione dei materiali.
Il cobalto è utilizzato nelle batterie agli ioni di litio per i veicoli elettrici e svolge quindi un ruolo importante nella transizione energetica. Tuttavia, il metallo grigio-argento è una materia prima critica per diversi motivi: Il cobalto è raro. Costituisce solo lo 0,004% della crosta terrestre. Le riserve mondiali di cobalto conosciute sono stimate in 7,2 milioni di tonnellate. Più della metà di queste, circa quattro milioni di tonnellate, si trovano nel territorio della Repubblica Democratica del Congo. Le condizioni di lavoro nelle miniere di questo instabile Paese dell'Africa centrale sono spesso pessime e i danni ambientali causati dall'estrazione del minerale sono ingenti.
Che si tratti di mancanza di sicurezza degli approvvigionamenti, di prezzi troppo alti sul mercato mondiale, di preoccupazioni etiche, di divieti o di innovazioni di prodotto con migliori proprietà dei materiali: Sono molte le ragioni che spingono le aziende a cercare materiali alternativi. "Esistono banche dati che gli sviluppatori di prodotti possono utilizzare per la ricerca. Tuttavia, spesso non forniscono risultati utili perché non tengono conto dell'esatto caso d'uso dell'azienda", spiega Charlotte Schmidt del team di ricerca Sustainability and Material Compliance Management del Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA.
L'intelligenza artificiale viene utilizzata per vagliare le pubblicazioni scientifiche
Per facilitare la ricerca e ottenere risultati più adeguati, Schmidt e due colleghi hanno sviluppato uno strumento supportato dall'intelligenza artificiale per la sostituzione dei materiali. Utilizzando una maschera di input, gli utenti devono innanzitutto inserire dettagli specifici sul materiale o sulla materia prima che vogliono sostituire, quindi specificare le proprietà richieste del materiale alternativo e informazioni sul contesto di utilizzo del materiale desiderato. Segue una ricerca AI, che cerca nel database di "Semantic Scholar" in base ai dati specifici e ai requisiti dell'utente. Confrontando l'input dell'utente con le informazioni disponibili nel database, l'IA identifica i materiali alternativi adatti.
La connessione AI per la sostituzione dei materiali è solo uno dei vari componenti con cui i ricercatori supportano le aziende nella ricerca di materie prime, materiali o sostanze chimiche alternative. Una volta completato il suo compito, l'IA sottopone i sostituti proposti e i materiali di partenza a una valutazione completa, tenendo conto degli aspetti legali, ecologici e sociali, nonché della sicurezza dell'approvvigionamento. In stretto dialogo con la rispettiva azienda, gli scienziati verificano poi come i materiali proposti soddisfino esattamente i requisiti specifici. Alla fine del processo viene redatto un rapporto. Questa presenta i sostituti più adatti e la valutazione dei vari criteri. Gli scienziati forniscono così alle aziende una solida base decisionale.
I primi test dimostrano che: La connessione AI è promettente
Una delle alternative al cobalto suggerite dallo strumento di sostituzione dei materiali supportato dall'IA è il ferro. "Non è una nuova scoperta che il fosfato di ferro e litio possa essere utilizzato per i catodi delle batterie al posto dell'ossido di cobalto nichel manganese", afferma Schmidt. "Ma questo e altri risultati ci hanno dimostrato che la connessione con l'IA è promettente nella ricerca di materiali alternativi".
Lo strumento di sostituzione dei materiali supportato dall'intelligenza artificiale è stato sviluppato nell'ambito del progetto di ricerca "Ultra-Efficiency Factory - Deep Dive", che è stato avviato nell'aprile 2024 e durerà fino alla fine di agosto 2025. Il progetto di ricerca è sostenuto dal Ministero del Baden-Württemberg per l'ambiente, la protezione del clima e il settore energetico con un totale di 1,4 milioni di euro. Oltre al Fraunhofer IPA, i partner del progetto sono Fraunhofer IAO, Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald gGmbH (Campus-Schwarzwald), Umwelttechnik BW GmbH, Alpirsbacher Klosterbräu Glauner GmbH, Ansmann AG e Protektorwerk Florenz Maisch GmbH & Co. KG, oltre a ZECHA Hartmetall-Werkzeugfabrikation GmbH come partner associato.
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