Современный мир стремится к использованию возобновляемых источников энергии, однако прогресс идет медленно. Частично проблема заключается в том, что такие источники энергии, как ветер и солнечная энергия, действуют непостоянно, а современных аккумуляторных батарей недостаточно, чтобы сгладить эти перепады. Разработка новых материалов для батарей — длительный и утомительный процесс, но ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) в партнёрстве с компанией Microsoft нашли способ ускорить его с помощью технологий искусственного интеллекта. Используя облачный сервис Azure Quantum Elements от Microsoft, исследователи сократили список из 32 миллионов возможных материалов для батарей до нескольких десятков, которые можно сразу же протестировать.
Обычно поиск новых материалов для батарей начинается с анализа существующих научных публикаций. Однако ученые обычно публикуют отчёты об успехах, нежели о неудачах, что приводит к пробелам в общедоступных данных. Сотрудничество Microsoft и PNNL началось с вычислительных экспериментов. Система искусственного интеллекта составила список из 32 миллионов материалов-кандидатов на основании их химического состава. Затем алгоритм отфильтровал химически нестабильные материалы. В результате список сократился до 500 000, а затем до 800.
Образцы нового твердого электролита, обнаруженные с помощью инструментов Microsoft AI и HPC.
В настоящее время Azure Quantum Elements не использует возможности квантовых вычислений, однако Microsoft Microsoft хочет развивать сервис именно в этом направлении. Разработчики компании заявили, что уже разрабатывают инструменты и рабочие процессы, необходимые для этого перехода. Тем не менее, на данном этапе облачный сервис работает на традиционном вычислительном оборудовании, выполняя задачи как в области искусственного интеллекта, так и высокопроизводительных вычислений (HPC).
За последний год мы все узнали, что искусственный интеллект работает быстро, но не всегда надёжно. Поэтому после сокращения списка материалов, как отмечает Microsoft, был задействован потенциал высокопроизводительных вычислений для более точного анализа возможных энергетических состояний каждого из кандидатов. Затем искусственный интеллект и HPC объединили усилия для проведения молекулярно-динамических расчетов, чтобы предсказать поведение атомов внутри каждого из материалов - ключевого фактора для работы батарей.
В итоге список был сужен до 150 потенциальных кандидатов, каждый из которых прошёл оценку на практическую применимость с точки зрения доступности и стоимости производства с использованием высокопроизводительных вычислений. Это позволило сократить список до 23 материалов, 5 из которых оказались уже известными науке соединениями. Весь этот процесс занял 80 часов по сравнению с годами проб и ошибок в лаборатории.
Открытое распространение подобных инструментов в облаке Microsoft может существенно упростить работу учёных, даже в тех организациях, где есть собственные суперкомпьютеры. Такие ресурсы, как правило, являются востребованными, поэтому исследовательским группам приходится ждать очереди на машинное время, чтобы продолжить свои изыскания. Участие Microsoft позволило ускорить проект, дав возможность лаборатории PNNL сразу приступить к тестированию 18 новых материалов.
Учёные уже синтезировали эти соединения, в том числе твёрдый электролит, который может оказаться более стабильным и экономичным по сравнению с используемыми сегодня (видео вверху). Данный материал содержит как натрий, так и литий - ранее считалось, что совместное присутствие этих элементов с одинаковым зарядом, но разными размерами атомов вредно для работы батарей. Команда PNNL обнаружила, что эти два элемента помогают друг другу, и полученная батарея требует на 70% меньше лития, который намного дороже, чем натрий.
Пока команда лаборатории PNNL не уверена, что материалы для батарей, созданные с помощью искусственного интеллекта, приведут к серьезным достижениям, однако сама скорость, с которой это можно будет выяснить, имеет большое значение. Microsoft считает, что системы искусственного интеллекта, такие как Azure Quantum Elements, изменят все сферы деятельности, основанные на научных открытиях, - химия и материаловедение - лишь начало этого пути.