Моделирование преобразует уголь

В условиях потепления уголь часто может показаться «плохим парнем», но у угля есть и другие применения, помимо его сжигания.

Команда из Университета Огайо использовала систему Bridges-2 Питтсбургского суперкомпьютерного центра(открывается в новом окне) для проведения серии симуляций, показывающих, как уголь в конечном итоге может быть преобразован в ценные и углеродно-нейтральные материалы, такие как графит и углеродные нанотрубки. . Флагманский суперкомпьютер PSC Bridges-2 является совместной инициативой Университета Карнеги-Меллон и Питтсбургского университета и финансируется Национальным научным фондом.

В наши дни уголь получает плохую репутацию в прессе. Ученые-климатологи прогнозируют повышение средней глобальной температуры на 2–10 градусов по Фаренгейту к 2100 году. Возможность резких изменений погодных условий, роста сельскохозяйственных культур и уровня моря ставит под сомнение интенсивное использование углеродного топлива, такого как уголь.

Но так не должно быть. Дэвид Драболд(откроется в новом окне), выдающийся профессор физики Университета Огайо, а также Чинонсо Угвумаду(откроется в новом окне) и Раджендра Тапа(откроется в новом окне), оба аспиранта физики Университета Огайо, исследуют способы трансформации уголь в другие ценные материалы.

«Эта (работа) возникла благодаря тому, что здесь есть несколько инженеров… которые делают замечательные работы (по углеродно-нейтральным) вещам с углем», — сказал Драбольд. «Жечь его по понятным причинам не хочется; но можно ли из него сделать строительные материалы, ценные материалы, например графит? (Чинонсо) и меня очень интересует вопрос, можно ли получить графит из вещей?"

Питание транспортных средств электричеством может напрямую сократить выбросы углекислого газа. Этот сдвиг также может позволить заряжать автомобили с помощью углеродно-нейтральных источников энергии. Самое интересное, что для каждой литий-ионной батареи Tesla Model S требуется около 100 фунтов графита. На протяжении поколений учёным было известно, что, по крайней мере теоретически, уголь можно превратить в графит, если его поместить под достаточное давление и при достаточно высокой температуре.

Чтобы изучить, как уголь можно превратить в ценные материалы, такие как графит, исследователи смоделировали эти вещества в компьютерном программном обеспечении. Чтобы виртуально воссоздать химическую конверсию, команда Университета Огайо обратилась к «Бриджесу-2».

Чистый графит представляет собой ряд листов, состоящих из шестиуглеродных колец. Особый тип химической связи, называемый ароматическими связями, удерживает эти атомы углерода вместе.

В ароматических связях пи-электроны плавают над и под кольцами. Эти «скользкие» электронные облака заставляют листы легко скользить друг мимо друга. Карандашный «грифель» — низкосортная форма графита — оставляет след на бумаге, потому что листы соскальзывают друг с друга и прилипают к бумаге.

У ароматических связей есть еще одно достоинство, важное в электронной технике. Пи-электроны легко перемещаются от кольца к кольцу и от листа к листу. Это заставляет графит проводить электричество, хотя он и не является металлом. Это идеальный материал для анода, положительного полюса батареи.

Уголь, напротив, химически грязен. В отличие от строго двумерного графитового листа, он имеет трехмерные соединения. Уголь также содержит водород, кислород, азот, серу и другие атомы, которые могут нарушить образование графита.

Чтобы начать свои исследования, команда Драбольда создала упрощенный «уголь», состоящий только из атомов углерода в случайных положениях. Подвергнув этот упрощенный уголь давлению и высокой температуре — около 3000 градусов Кельвина или почти 5000 градусов по Фаренгейту — они могли сделать первый шаг в изучении его превращения в графит.

«Чтобы вывести на рынок бумагу с аморфным графитом, нам нужно было провести серьезный анализ», — сказал Угвумаду. «Нашим домашним системам... требуется около двух недель, чтобы смоделировать 160 атомов. С помощью Bridges мы можем запустить 400 атомов за шесть-семь дней, используя теорию функционала плотности».

Сначала ученые из Огайо провели моделирование, используя основные физические и химические принципы с помощью теории функционала плотности. Этот точный, но трудоемкий подход потребовал множества параллельных вычислений — мощность Bridges-2 составляет более 30 000 вычислительных ядер. Позже они перенесли свои расчеты на новый программный инструмент GAP (потенциал гауссовой аппроксимации), разработанный сотрудниками Кембриджского и Оксфордского университетов в Англии. GAP использует тип искусственного интеллекта, называемый машинным обучением, для выполнения по сути тех же вычислений гораздо быстрее.