Er zijn veel vragen over de beste manier om de talrijke problemen op te lossen die een efficiënt beheer van onze kostbare waterbronnen met zich meebrengen. We hebben een paar vragen gesteld over waterwetenschap en -techniek van Junhong Chen, hoofd waterstrateeg bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en een professor in moleculaire engineering aan de Pritzker School of Molecular Engineering van de University of Chicago. Voordat hij naar Chicago kwam, Chen was programmadirecteur voor het Engineering Research Centers-programma van de Amerikaanse National Science Foundation.

V:Op welke manier is wateronderzoek belangrijk voor de nationale behoefte aan duurzame energie, economische welvaart en veiligheid?

A:Water is een onmisbare hulpbron van onze samenleving omdat het nodig is voor het behoud van leven en economische welvaart. Bijvoorbeeld, water is nodig voor de productie van bijna alles, variërend van energie tot voedsel, kleren, auto's en elektronica. Het is, dus, een integraal onderdeel van ons leven dat verder gaat dan alleen het lessen van de dorst. Onze toekomstige economie en nationale veiligheid zijn sterk afhankelijk van de beschikbaarheid van schoon water. Echter, er is een beperkt aanbod van hernieuwbaar zoet water zonder vervanging. Bevolking en economische groei, klimaatverandering en verstedelijking verergeren de toenemende waterstress wereldwijd. Als zodanig, we hebben dringend wetenschappelijke en technische oplossingen nodig om tot een efficiënter beheer van onze kostbare watervoorraden te komen. Onderzoek en innovatie rond waterbesparing, recyclen, terugwinning en hergebruik zijn van cruciaal belang om aan de nationale behoeften te voldoen. Als reactie op de dreigende watercrisis, het Witte Huis een Water Security Grand Challenge initieerde, onder leiding van DOE. Het doel is om transformationele technologie en innovatie vooruit te helpen om te voldoen aan de wereldwijde behoefte aan veilige, veilig en betaalbaar water.

V:Wat is de strategie van Argonne om in de nabije toekomst bij te dragen aan de waterwetenschap?

A:We hebben de waterinspanning van Argonne 'Water + AI' genoemd. Onze missie is om waterwetenschap en -techniek na te streven, ondersteund door kunstmatige intelligentie (AI). Onze basisstrategie is om de kracht van AI te benutten om de DOE Water Security Grand Challenge en de vele wetenschappelijke uitdagingen aan te gaan die relevant zijn voor de samenhang tussen energie en water. Dit omvat het overbruggen van de AI- en wateronderzoeksgemeenschappen. De Water + AI-strategie van Argonne is online beschikbaar.

V:Welke unieke mogelijkheden biedt Argonne Water + AI?

A:Argonne heeft drie belangrijke capaciteiten die ons uniek positioneren om de dringende wateruitdagingen van het land aan te gaan. Eerst, Argonne biedt een brede waaier aan expertise onder één dak, inclusief materiaalkunde, scheikunde, natuurkunde, biologie, Engineering, productie, kunstmatige intelligentie/machine learning, high-performance computergebruik, duurzaamheidsanalyse en kwantumwetenschap en techniek. Deze buitengewoon brede expertise kan worden ingezet om de meest complexe maatschappelijke uitdagingen op het gebied van water aan te pakken.

Tweede, Argonne heeft zijn "AI for Science"-initiatief gelanceerd en neemt een leidende rol in de nationale laboratoria van DOE bij het ontwikkelen van de wiskundige basis, hardware, software, gegevens, partnerschappen en infrastructuur die nodig zijn om AI te bevorderen. Argonne's lange geschiedenis van baanbrekende vooruitgang in AI zal transformationele oplossingen voor water mogelijk maken die anders onmogelijk zouden zijn.

Eindelijk, Argonne beschikt over onderzoeksfaciliteiten van wereldklasse, zoals de Advanced Photon Source (APS), Centrum voor materialen op nanoschaal (CNM), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) en Materials Engineering Research Facility (MERF). de APS, CNM en ALCF zijn allemaal DOE Office of Science User Facilities. De APS biedt ultraheldere, hoogenergetische röntgenstralen die toepasbaar zijn voor het onderzoeken van water-materiaalinterfaces en zelfs voor het bekijken van chemische processen die plaatsvinden op nanoschaal. De CNM is een vooraanstaande gebruikersfaciliteit voor interdisciplinair nanowetenschappelijk en nanotechnologisch onderzoek dat nationale grote uitdagingen aangaat, zoals die van water. in 2022, de ALCF zal als computerhulpmiddel de nieuwe Aurora exascale supercomputer toevoegen, die een ongekende mogelijkheid zal bieden voor het simuleren van water-materiaal-interfaces met de kleinste ruimtelijke en temporele resoluties. Argonne is al de thuisbasis van de snelste AI-computer ter wereld, het Cerebras CS-1-systeem. Het MERF past geavanceerde synthese- en verwerkingstechnologieën toe om schaalbare productieprocessen te ontwikkelen voor nieuw uitgevonden experimentele materialen, inclusief watermaterialen, zodat ze beschikbaar kunnen komen voor industriële evaluatie, prototypen en verder onderzoek.

Vraag:Wat zijn enkele van de belangrijke prestaties van Argonne op het gebied van wateronderzoek?

A:Onderzoekers van Argonne hebben talloze baanbrekende bijdragen geleverd aan de waterwetenschap. Een recent voorbeeld is de waarneming van de snelste chemische processen bij de afbraak van watermoleculen veroorzaakt door straling, begrip hiervan is van fundamenteel belang op diverse gebieden, zoals watergekoelde kernreactoren en medisch onderzoek naar door straling veroorzaakte genoomschade. Een ander voorbeeld is het gebruik van kunstmatige neurale netwerkmodellen in combinatie met machine learning (ML) om belangrijke watereigenschappen te voorspellen. Argonne heeft ook belangrijke licentietechnologieën ontwikkeld, inclusief de Oleo-spons. Deze herbruikbare spons kan olie en andere aardolieproducten terugwinnen uit watermassa's na morsen en lekken, op meerdere manieren industriestandaardtechnologieën overtreffen.

Ook vermeldenswaard is dat als erkenning voor Argonne's capaciteiten op het gebied van wateronderzoek, DOE selecteerde Argonne National Laboratory in 2018 om het Advanced Materials for Energy-Water Systems Center (AMEWS) te leiden, een DOE Energy Frontier Research Center.

Vraag:Op welke onderzoeksgebieden in Water + AI zie je Argonne groeien in het komende decennium?

A:Met de Water + AI-strategie, Argonne zal de komende tien jaar grote stappen zetten in de ontwikkeling van drie soorten intelligente watersystemen. Dit zijn geschikte watersystemen, op water gebaseerde energiesystemen, en waterbeheersystemen. Succes vereist groei op zes gebieden:watermaterialen, watersensoren en bedieningselementen, selectieve scheiding, modellering en AI/ML, productie, en duurzaamheid.

Een van de groeigebieden op het gebied van duurzaamheid die nu wordt aangepakt met AI bij Argonne, is de uitdaging rond een verontreiniging, per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS). Er zijn duizenden PFAS-verbindingen. Ze zitten in het eten, commerciële huishoudproducten, kookgerei, de werkplaats, levende organismen, drinkwater, en grondwater. Ze vormen een belangrijke nationale uitdaging in termen van schadelijke gezondheidseffecten en hergebruik van water, en de geschatte kosten van nationale opruiming lopen in de miljarden dollars. Het oplossen van deze uitdaging zou belangrijke implicaties hebben voor waterrecycling, omdat we eventuele PFAS moeten extraheren voordat water wordt hergebruikt.

V:Wat is het belangrijkste dat u wilt dat mensen weten over Water + AI bij Argonne?

A:De Water + AI-strategie van Argonne zal de waterindustrie mogelijk transformeren door kosteneffectieve en maatschappelijk verantwoorde oplossingen te bieden voor de vele uitdagingen. We zullen deze visie verwezenlijken door middel van partnerschappen met onze belanghebbenden, inclusief lokale, staat en federale overheid, academische en nationale laboratoriummedewerkers, industriële partners, non-profit organisaties, en regionale economische ontwikkelingscentra. Daarom, we kijken uit naar groeiende partnerschappen met huidige medewerkers en het opbouwen van partnerschappen met nieuwe.