Cambridge-wetenschappers hebben een kunstmatig intelligent algoritme ontwikkeld dat wetenschappers kan verslaan bij het voorspellen hoe en wanneer verschillende materialen ijskristallen vormen.

Het programma, IcePic, kan atmosferische wetenschappers helpen om in de toekomst modellen voor klimaatverandering te verbeteren. Details worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

Water heeft een aantal ongewone eigenschappen, zoals uitzetten wanneer het in ijs verandert. Het begrijpen van water en hoe het rond verschillende moleculen bevriest, heeft verstrekkende gevolgen op een groot aantal gebieden, van weersystemen die hele continenten kunnen beïnvloeden tot het opslaan van biologische weefselmonsters in een ziekenhuis.

De Celsius-temperatuurschaal is ontworpen op basis van het uitgangspunt dat het de overgangstemperatuur is tussen water en ijs; ijs smelt echter altijd bij 0°C, maar water bevriest niet noodzakelijkerwijs bij 0°C. Water kan bij -40°C nog steeds in vloeibare vorm zijn, en het zijn onzuiverheden in water die ervoor zorgen dat ijs bij hogere temperaturen kan bevriezen. Een van de grootste doelen van het veld was het voorspellen van het vermogen van verschillende materialen om de vorming van ijs te bevorderen, ook wel bekend als het "ijskiemvormingsvermogen" van een materiaal.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een 'deep learning'-tool ontwikkeld die het vermogen tot ijsvorming van verschillende materialen kan voorspellen - en die wetenschappers kon verslaan in een online 'quiz' waarin hen werd gevraagd te voorspellen wanneer ijskristallen zouden formulier.

Deep learning is hoe kunstmatige intelligentie (AI) inzichten leert putten uit onbewerkte gegevens. Het vindt zijn eigen patronen in de data, waardoor het geen menselijke inbreng meer nodig heeft, zodat het resultaten sneller en nauwkeuriger kan verwerken. In het geval van IcePic kan het verschillende eigenschappen van ijskristalvorming rond verschillende materialen afleiden. IcePic is getraind op duizenden afbeeldingen, zodat het naar volledig nieuwe systemen kan kijken en daaruit nauwkeurige voorspellingen kan afleiden.

Het team zette een quiz op waarin wetenschappers werd gevraagd te voorspellen wanneer ijskristallen zich zouden vormen in verschillende omstandigheden, weergegeven door 15 verschillende afbeeldingen. Deze resultaten werden vervolgens afgezet tegen de prestaties van IcePic. Toen het op de proef werd gesteld, was IcePic veel nauwkeuriger in het bepalen van het vermogen tot ijskiemvorming van een materiaal dan meer dan 50 onderzoekers van over de hele wereld. Bovendien hielp het te identificeren waar mensen de fout in gingen.

Michael Davies, een Ph.D. student in het ICE-lab aan de Yusuf Hamied Department of Chemistry, Cambridge, en University College London, London, eerste auteur van de studie, zei:"Het was fascinerend om te horen dat de beelden van water die we IcePic lieten zien voldoende informatie bevatten om daadwerkelijk te voorspellen ijskiemvorming.

"Ondanks dat wij, dat wil zeggen menselijke wetenschappers, een voorsprong van 75 jaar hebben op het gebied van wetenschap, was IcePic nog steeds in staat om iets te doen wat we niet konden."

Het bepalen van de vorming van ijs is vooral relevant geworden in onderzoek naar klimaatverandering.

Water beweegt continu in de aarde en haar atmosfeer, condenseert tot wolken en precipiteert in de vorm van regen en sneeuw. Verschillende vreemde deeltjes beïnvloeden hoe ijs zich vormt in deze wolken, bijvoorbeeld rookdeeltjes van vervuiling in vergelijking met rookdeeltjes van een vulkaan. Begrijpen hoe verschillende omstandigheden onze cloudsystemen beïnvloeden, is essentieel voor nauwkeurigere weersvoorspellingen.

"De nucleatie van ijs is erg belangrijk voor de atmosferische wetenschappelijke gemeenschap en klimaatmodellering", zei Davies. "Op dit moment is er geen andere manier om ijskiemvorming te voorspellen dan directe experimenten of dure simulaties. IcePic zou veel meer toepassingen voor ontdekking moeten openen." + Verder verkennen

We hebben helemaal verkeerd nagedacht over hoe ijs zich vormt in cirruswolken