أعلنت شركة مايكروسوفت يوم الثلاثاء أن فريقًا من العلماء استخدم الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء لتحليل 32.6 مليون مادة بطارية محتملة – كثير منها غير موجود في الطبيعة – خلال 80 ساعة، وهي مهمة قدر الفريق سابقًا أنها ستستغرق 20 عامًا. أطلقت النتائج جهدًا طموحًا لإنشاء جيل جديد من البطاريات الأقل اعتمادًا على الليثيوم السام والمضر بالبيئة.
شاركت الشركة بعضًا من أفضل المرشحين مع المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ التابع للحكومة في ريتشلاند بولاية واشنطن، والذي قام بالتحقيق في أكثرها واعدة وقام ببناء نموذج أولي للبطارية باستخدام مادة جديدة تمامًا.
اشترك في النشرة الإخبارية The Post Most للحصول على أهم القصص المثيرة للاهتمام من صحيفة واشنطن بوست.
في حين أن النموذج الأولي الذي يبلغ حجمه عشرة سنتات ليس جاهزًا بعد للقيام بدور رئيسي في تشغيل الساعات ومفاتيح السيارات اليوم، إلا أنه يعمل باستخدام كمية أقل من الليثيوم مقارنة بالخيارات المتاحة تجاريًا ولديه القدرة على إعادة شحن الطاقة. علاوة على ذلك، يوضح هذا الإنجاز قدرة التقنيات الجديدة على إحداث ثورة في مجال علم المواد الذي لا يحظى بالتقدير الكافي ولكنه سريع التطور.
وقال كريستوفر إم ولفرتون، الأستاذ في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة نورث وسترن: “ليس من المبالغة القول إن كل مشكلة رئيسية نواجهها كمجتمع تقريبًا يمكن حلها، على الأقل جزئيًا، من خلال الحصول على مواد أفضل”. . ووصف ولفرتون، الذي لم يشارك في مشروع بطاريات مايكروسوفت ولكنه عمل في مشاريع مماثلة خاصة به، ادعاء الشركة بأنها فحصت 32.6 مليون مادة في 80 ساعة بأنه “مذهل”.
“أخبرني اثنان وثلاثون مليونًا على الفور أنهم لم يقوموا بالفحص [just] وأضاف: “لقد كانوا يقومون بفحص المواد الجديدة المفترضة التي كانوا يأملون في اكتشافها”.
ومثل غيره من الخبراء الخارجيين الذين تمت مقابلتهم، كان قادرًا على مراجعة النشرات الإخبارية الصادرة عن شركة Microsoft والمختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ، لكنه لم يتمكن من رؤية الورقة العلمية التي تصف العمل قبل صدوره. تم نشر الورقة، التي لم تتم مراجعتها بعد، يوم الثلاثاء على موقع arXiv العلمي.
– – –
خلط ومطابقة عالية الطاقة
وعلى الرغم من اختلاف التقديرات، إلا أن الخبراء عمومًا يعتبرون أن هناك حوالي 200 ألف مادة معروفة في العالم، ويواصل علماء المواد البحث عن مواد جديدة قد تحمل المفتاح لحل بعض التحديات الخطيرة التي يواجهها الكوكب.
لمكافحة تغير المناخ، يجب على العلماء العثور على أفضل المواد لالتقاط وتخزين ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وللحد من التراكمات الهائلة للنفايات البلاستيكية على الشواطئ، والتي تسد مدافن النفايات وتهدد صحة الإنسان، يجب على العلماء إيجاد طرق آمنة لتحليلها إلى وقود ومواد خام. للاستجابة بسرعة لمسببات الأمراض الجديدة القادرة على التسبب في أوبئة مستقبلية، يجب على العلماء تصميم أدوية فعالة تستخدم البروتينات لمهاجمة الفيروسات والبكتيريا أو لتحفيز دفاعات الجسم.
ويعتمد كل ذلك على اكتشاف المواد المناسبة، وهي العملية التي تم إبطاؤها بسبب أساليب التجربة والخطأ التي تعتمد على الفرضيات.
تسمح الحوسبة عالية الأداء والذكاء الاصطناعي الآن للعلماء باستخدام العناصر الموجودة في الجدول الدوري بسرعة مثلما يستخدم الرسام لوحة من الألوان، ويمزجها ويصل إلى تكوينات جديدة.
وقال ناثان بيكر، مؤلف الورقة ومدير الشراكات للكيمياء والمواد في مايكروسوفت: “هذه طريقة جديدة للقيام بالعلم”. استخدم المشروع منصة Azure Quantum Elements الخاصة بالشركة، والتي تم الكشف عنها في يونيو بهدف استخدام قوة الحوسبة المتقدمة لتسريع عملية الاكتشاف.
وقال بيكر، بدءًا بجميع المواد المعروفة، “يمكننا بشكل أساسي انتقاء الجدول الدوري وإسقاط ذرات جديدة في [various] المواقع من خلال عملية الاستبدال.”
قامت Azure Quantum Elements سريعًا بالتخلص من المواد ذات الموصلية الرديئة أو غير المستقرة جدًا أو شديدة التفاعل أو المكلفة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها في البطاريات. استغلت الحوسبة عالية الأداء التي تستخدمها Microsoft بشكل أساسي قوة حوالي 5000 جهاز كمبيوتر محمول نموذجي. وشدد بيكر على أنه بمجرد حصولهم على نتائج مبكرة، استشارت مايكروسوفت خبراء المواد في المختبر الحكومي معتقدة أن “حسنًا، أعطانا الكمبيوتر الإجابة.. فلنذهب لإثبات ذلك”.
وقال مسؤولون في مايكروسوفت والمختبر الوطني إنهم سيواصلون مشروع البطارية كجزء من تعاون مدته ثلاث سنوات يهدف إلى تسريع وتيرة الابتكار والاكتشاف.
وقال شيراج ديكاتي، نائب الرئيس والمحلل في شركة جارتنر للأبحاث والاستشارات ومقرها ستامفورد بولاية كونيتيكت: “هذا ليس مجرد إعلان مثير، نوع من الإعلانات التي تستحوذ على العناوين الرئيسية. هذه هي طبيعة الأشياء القادمة”. لم يكن ضمن فريق البحث
– – –
البحث عن بطارية أفضل
لقد برزت الحاجة إلى تكنولوجيا أفضل للبطاريات كتحدي كبير يواجه العلماء.
وقال ديكاتي: “إن الكثير من تقنيات البطاريات الحالية غير فعالة إلى حد كبير”. “إذا نظرت إلى أحد الأسباب التي جعلت وعد المستقبل الأخضر بعيد المنال حتى الآن على الرغم من التقدم في مجال الطاقة الشمسية وطاقة الرياح [power]وإذا نظرت إلى السبب الأساسي، فهو في الواقع التحديات المرتبطة بتقنيات البطاريات.”
تعمل بطاريات الليثيوم أيون الآن على تشغيل معظم السيارات الكهربائية بالإضافة إلى معظم الدراجات البخارية الكهربائية والدراجات الكهربائية التي أصبحت منتشرة في كل مكان في المدن الحديثة حول العالم. في عام 2022، قدر حجم سوق بطاريات الليثيوم أيون العالمية بـ 46.2 مليار دولار، ومن المتوقع أن تصل الصناعة إلى 189.4 مليار دولار بحلول عام 2032.
لكن المجموعة الحالية من البطاريات غير قادرة على الشحن بسرعة أو الاحتفاظ بشحنها لفترات طويلة. علاوة على ذلك، فقد ثبت أن بعضها متقلب.
وفي عام 2023، أفادت إدارة الإطفاء في نيويورك أن 18 شخصًا لقوا حتفهم في حرائق مرتبطة ببطاريات السيارات الكهربائية.
بحثت شركة مايكروسوفت عن مواد لبناء ما يسمى ببطارية إلكتروليت ذات الحالة الصلبة؛ تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة أكبر من بطاريات الأيونات السائلة ولا تشكل خطر الحريق أو التسرب. تحتوي المادة المستخدمة في النموذج الأولي على بعض الليثيوم، ولكن أقل بنسبة تصل إلى 70 بالمائة من الكمية الموجودة في البطاريات الموجودة.
وقال بيكر إن عمل مايكروسوفت في مشروع البطارية “بدأ بشكل جدي منذ حوالي تسعة أشهر”.
قام الفريق بتدريب نظام الذكاء الاصطناعي الخاص به من خلال عرض أمثلة لمواد مختلفة، مما ساعده على تعلم بنيتها البلورية وخصائصها النشطة. وقال بيكر: “بينما نتناول التركيبات المختلفة، نبدأ في معرفة كيفية ارتباط البنية والتركيب بعلم الطاقة”.
ثم استخدم فريق Microsoft الذكاء الاصطناعي ليعمل مثل مسار التحويل. تم إدخال قدر كبير من الاحتمالات في الجزء العلوي من مسار التحويل ثم تم تمريرها عبر مرشحات مختلفة أدت إلى تضييق قائمة المرشحين. أفضلها خرج من أسفل القمع.
ونظرًا لأن مادة البطارية يجب أن تكون مستقرة، فقد بدأ الذكاء الاصطناعي بتصفية عدد المرشحين إلى ما يقل قليلاً عن 590 ألفًا والذين سيبقون في الشكل المطلوب للأداء في البطارية. ومن هنا، سأل الذكاء الاصطناعي كل مرشح بشكل أساسي: هل سيتفاعل مع الأكسجين؟ هل سيفعل شيئًا غريبًا عند تطبيق تيار كهربائي عبره؟ كيف يمكنك جعل ذرات الليثيوم تتحرك عبر المادة، وهي عملية ضرورية لبطارية فعالة؟
وفي نهاية المطاف، اتصلت مايكروسوفت بالمختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ، الذي يتمتع بخبرة عميقة في أبحاث البطاريات.
“لقد سألوا، ما هي الخصائص التي تحتاجها عادةً من مادة ما لصنع بطارية أفضل؟” قال فيجاي موروجيسان، المؤلف المشارك للورقة البحثية ورئيس مجموعة علوم المواد في المختبر في قسم العلوم الفيزيائية. ووصف تطوير مادة صلبة تسمح لأيونات الليثيوم فقط بالانتقال من جانب واحد من البطارية إلى الجانب الآخر بأنه تحدي كبير.
عندما فحص قائمة تضم أفضل 120 إلى 130 مرشحًا، قال موروجيسان إن ردود أفعاله تباينت من “لماذا؟ ماذا؟ حقًا؟” بالنسبة لبعض المرشحين الأكثر إثارة للدهشة “أرى أن هذه هي الخطوة التالية الواضحة لما نقوم به.”
وقال العلماء إن ما شجعهم هو أن بعض المواد التي أوصى بها الذكاء الاصطناعي قد وصفها الخبراء بأنها واعدة.
قام الفريق في المختبر بتحليل أفضل المرشحين وصنع مجموعة من المواد الافتراضية التي حلمت بها أجهزة الكمبيوتر. تحتوي المادة الجديدة المختارة للنموذج الأولي على بعض الليثيوم مع الصوديوم والكلوريد والإيتريوم. يجري المختبر مزيدًا من العمل على المواد المستخدمة في النموذج الأولي ويستعد لفحص مادتين مرشحتين أخريين على الأقل.
ردًا عبر البريد الإلكتروني على المعلومات الأولية التي قدمتها Microsoft، قال آرون والش، الأستاذ ورئيس قسم تصميم المواد في جامعة إمبريال كوليدج لندن: “يوفر الذكاء الاصطناعي جيلًا جديدًا من الأدوات التقريبية ولكن العملية، التي تمكننا من معالجة المشكلات التي بدت مستحيلة من قبل ، مثل الاستكشاف السريع للمساحات الكيميائية الكبيرة المذكورة هنا.”
المحتوى ذو الصلة
تتصاعد التهديدات السياسية العنيفة مع بداية عام 2024، مما يطارد الديمقراطية الأمريكية
مادة بطارية جديدة تستخدم كمية أقل من الليثيوم الموجودة في البحث المدعوم بالذكاء الاصطناعي
اتخذ جوش هاريس للتو خطوة ذكية بعيدًا عن الماضي المؤسف للقادة