L’IA aide à réduire les candidats pour les transporteurs d’hydrogène sous forme liquide de plusieurs milliards à environ 40

Dans une étude informatique tirant parti de l’intelligence artificielle (IA), des scientifiques du laboratoire national d’Argonne du ministère américain de l’Énergie (DOE) ont évalué 160 milliards de molécules, un nombre dépassant celui des personnes nées au cours de toute l’histoire de l’humanité. Leur objectif était de déterminer si les molécules étaient adaptées en tant que transporteurs liquides d’hydrogène.

Les résultats sont publiés dans la revue Découverte numérique.

Le soleil est essentiellement une énorme boule composée principalement d’hydrogène gazeux, libérant de l’énergie sous une forme qui réchauffe la Terre et le reste de notre système solaire. En raison de son contenu énergétique et de son abondance, l’hydrogène s’avère également très prometteur en tant que source d’énergie sur Terre. Il pourrait s’agir d’alimenter des voitures, des camions, des bus, des trains et des navires et de produire de l’électricité pour les consommateurs. Alors que l’énergie solaire provient de la fusion d’atomes d’hydrogène, le processus que l’équipe vise à utiliser sur Terre implique la combustion d’hydrogène.

L’hydrogène sous sa forme pure existe sous forme de gaz dans des conditions normales. Pour son utilisation comme carburant, l’un des défis consiste à acheminer ce gaz en toute sécurité vers les stations de ravitaillement et à le stocker. Les composés porteurs d’hydrogène sous forme liquide présentent cependant plusieurs avantages. Ils ont un bien meilleur profil de sécurité car ils ne sont pas aussi sujets aux fuites et aux explosions. Ils ont également un contenu énergétique par unité de volume beaucoup plus élevé, ce qui facilite grandement le stockage et le transport.

« La forme du composé liquide éliminerait essentiellement certains problèmes liés à l’hydrogène pur, d’autant plus qu’il existe une infrastructure bien établie pour stocker et transporter l’essence et d’autres produits chimiques liquides en toute sécurité », a déclaré Rajeev Surendran Assary, chimiste et chef du groupe Argonne. dans la division Science des Matériaux.

La forme la plus visible d’un composé liquide porteur d’hydrogène est l’eau : deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène. Une autre forme est celle des molécules organiques, essentiellement un nombre infini de combinaisons possibles d’atomes d’hydrogène et de carbone, en plus d’autres atomes tels que l’azote et l’oxygène.

« Aidé par l’IA, nous recherchons des molécules liquides organiques qui, grâce à une réaction chimique à faible coût avec un catalyseur, pourraient alternativement ajouter ou libérer de l’hydrogène pour l’utiliser comme carburant », a déclaré l’informaticien Logan Ward dans l’étude Data Science and Learning. division. Il serait essentiel que cette réaction n’ajoute pas de carbone à l’atmosphère. Autrement dit, il doit être neutre en carbone.

« Nous recherchions des molécules liquides organiques qui retiennent l’hydrogène pendant une longue période, mais pas si fortement qu’elles ne pourraient pas être facilement éliminées à la demande », a déclaré Hassan Harb, stagiaire postdoctoral dans la division Science des matériaux. « Ils doivent également avoir la capacité de stocker suffisamment d’hydrogène pour une utilisation pratique. » Après l’élimination de l’hydrogène, de l’hydrogène de remplacement serait ajouté au liquide pour être réutilisé.

Parmi les milliards de supports d’hydrogène liquides possibles, les exemples courants incluent des produits chimiques comme l’ammoniac et le méthanol. Cependant, les rares candidats testés jusqu’à présent en laboratoire ont souffert d’une instabilité chimique et de réactions secondaires indésirables.

L’équipe a examiné les molécules candidates sur la base de quatre facteurs. L’une d’entre elles était la similitude structurelle avec les transporteurs d’hydrogène liquide connus. Un autre problème concernait les propriétés physiques souhaitables, telles que les points de fusion et d’ébullition : le liquide doit rester liquide lorsque l’hydrogène a été ajouté ou extrait. Troisièmement, le liquide doit être capable de stocker une grande quantité d’hydrogène par unité de volume. Enfin, la quantité d’énergie nécessaire pour libérer l’hydrogène du liquide doit être suffisamment faible.

« Nous avons commencé par accéder à des bases de données chimiques contenant des données sur les molécules organiques », a déclaré Sarah Elliott, stagiaire postdoctorale à la division des sciences chimiques et de l’ingénierie. « Nous avons trouvé plus de 160 milliards de molécules de ce type, et la combinaison de l’IA avec les dernières méthodes informatiques théoriques est essentielle pour sélectionner les meilleures dans cette énorme armée de molécules. »

Les calculs de l’équipe nécessitaient l’accès à des superordinateurs disponibles dans quelques endroits dans le monde. L’un d’eux est Argonne, qui abrite l’Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science. L’équipe s’est également appuyée sur Bebop, un cluster informatique exploité par le Centre de Ressources Informatiques du Laboratoire d’Argonne.

Même avec ces puissantes ressources disponibles, si l’on alloue une milliseconde de temps de calcul par molécule, cela se traduit par cinq années de temps de calcul pour 160 milliards de molécules. Pour cette raison, l’équipe a développé une approche de criblage basée sur l’IA qui a accéléré les calculs jusqu’à trois millions de molécules par seconde, soit environ 14 heures pour les 160 milliards.

« Cela transforme les calculs de quelque chose que nous ne pourrions faire qu’une seule fois dans un projet entier, voire pas du tout, à quelque chose que nous pouvons faire du jour au lendemain et répéter à mesure que nous obtenons des commentaires sur les calculs et les expériences », a déclaré Ward.

Grâce à leur approche unique, l’équipe a réduit le nombre de candidats de plus de 160 milliards à seulement 41. Désormais, la tâche est confiée aux expérimentateurs pour tester les plus prometteurs. L’approche informatique de l’équipe ouvre la voie à une nouvelle ère d’innovation dans les solutions énergétiques durables.

Outre Assary, Elliott, Ward et Harb, les auteurs incluent Ian Foster, Stephen Klippenstein et Larry Curtiss.