Команда ученых-материаловедов и компьютерщиков из Sandia National Laboratories  потратила более года на создание 12 новых сплавов — и моделирование еще сотен — которые демонстрируют, как машинное обучение может помочь ускорить будущее водородной энергетики, упростив создание водородной инфраструктуры для потребителей.

Виталие Ставила, Марк Аллендорф, Мэтью Витман и Сапан Агарвал являются частью команды Sandia, которая опубликовала статью, в которой подробно описан ее подход совместно с исследователями из лаборатории Ангстрема в Швеции и Ноттингемского университета в Соединенном Королевстве.

«Существует богатая история исследований в области хранения водорода и база данных термодинамических величин, описывающих взаимодействие водорода с различными материалами», — сказал Витман. «Располагая существующей базой данных, набором средств машинного обучения и других вычислительных инструментов, а также современными экспериментальными возможностями, мы собрали международную группу по сотрудничеству, чтобы объединить усилия в этой работе. Мы продемонстрировали, что методы машинного обучения действительно могут моделировать физику и химию сложных явлений, возникающих при взаимодействии водорода с металлами».

Наличие возможности моделирования на основе данных для прогнозирования термодинамических свойств может быстро увеличить скорость исследований. Фактически, после создания и обучения выполнение таких моделей машинного обучения занимает всего несколько секунд, и поэтому они могут быстро сканировать новые химические пространства: в данном случае 600 материалов, которые обещают хранение и передачу водорода.

«Это было достигнуто всего за 18 месяцев», — сказал Аллендорф. «Без машинного обучения это могло бы занять несколько лет. Это очень важно, если учесть, что исторически для того, чтобы материал прошел путь от лабораторного открытия до коммерциализации, требуется около 20 лет».

Команда также обнаружила в своей работе результаты, которые имеют серьезные последствия для мелкомасштабного производства водорода на заправочных станциях на водородных топливных элементах.

«Эти гидриды сплавов с высокой энтропией могут обеспечить естественное каскадное сжатие водорода при его перемещении через различные материалы», — сказал Ставила, добавив, что сжатие водорода традиционно осуществляется с помощью механического процесса.

Он описывает создание резервуара для хранения с несколькими слоями из этих различных сплавов. Когда водород закачивается в резервуар, первый слой сжимает газ, когда он проходит через материал. Второй слой сжимает его еще сильнее и так далее через все слои различных сплавов, естественно, делая водород пригодным для использования в двигателях, которые производят электричество.

Водород, полученный в атмосферных условиях на уровне моря, имеет давление около 1 бар. Для получения водорода для питания транспортного средства или какого — либо другого двигателя от топливного элемента он должен быть под давлением — сжат-до гораздо более высокого давления. Например, водород на заправочной станции топливных элементов должен иметь давление 800 бар или выше, чтобы им можно было заправлять транспортные средства на топливных элементах.

«По мере того как водород проходит через эти слои, он становится все более и более сжатым без каких-либо механических усилий», — объяснил Ставила. «Теоретически вы могли бы накачать 1 бар водорода и получить 800 бар — давление, необходимое для станций зарядки водорода».

Команда все еще совершенствует модель, но, поскольку база данных уже открыта для общественности через Министерство энергетики, как только метод будет лучше понят, использование машинного обучения может привести к прорывам во множестве областей, включая материаловедение, сказал Агарвал.