Vandstrateg behandler spørgsmål om forvaltning af vores dyrebare vandressourcer

Mange spørgsmål omhandler, hvordan man bedst løser de mange problemer, der involverer effektiv forvaltning af vores dyrebare vandressourcer. Vi stillede et par spørgsmål vedrørende vandvidenskab og ingeniørarbejde i Junhong Chen, ledende vandstrateg ved U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory og professor i molekylær ingeniørvidenskab ved University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering. Inden jeg kom til Chicago, Chen fungerede som programdirektør for Engineering Research Centers -programmet i U.S.National Science Foundation.

Q:På hvilken måde er vandforskning vigtig for nationens behov for bæredygtig energi, økonomisk velstand og sikkerhed?

A:Vand er en uundværlig ressource i vores samfund, da det er nødvendigt for at opretholde liv og økonomisk velstand. For eksempel, vand er nødvendigt til fremstilling af næsten alt, lige fra energi til mad, tøj, biler og elektronik. Det er, dermed, en integreret del af vores liv ud over blot at slukke tørsten. Vores fremtidige økonomi og nationale sikkerhed afhænger i høj grad af tilgængeligheden af ​​rent vand. Imidlertid, der er et begrænset udbud af vedvarende ferskvand uden erstatning. Befolkning og økonomisk vækst, klimaændringer og urbanisering forværrer yderligere den voksende vandstress globalt. Som sådan, vi har et presserende behov for videnskabelige og tekniske løsninger for at opnå en mere effektiv forvaltning af vores dyrebare vandressourcer. Forskning og innovation omkring vandbevarelse, genbrug, genvinding og genbrug er afgørende for at opfylde de nationale behov. Som svar på den truende vandkrise, Det Hvide Hus indledte en Water Security Grand Challenge, ledet af DOE. Dens mål er at fremme transformationsteknologi og innovation for at imødekomme det globale behov for sikker, sikkert og overkommeligt vand.

Sp .:Hvad er Argonnes strategi for at bidrage til vandvidenskab i den nærmeste fremtid?

A:Vi har kaldt Argonnes vandindsats "Vand + AI." Vores mission er at forfølge vandvidenskab og ingeniørkunst bemyndiget af kunstig intelligens (AI). Vores grundlæggende strategi er at udnytte AI-kraften til at tackle DOE Water Security Grand Challenge og de mange videnskabelige udfordringer, der er relevante for sammenhængen mellem energi og vand. Dette vil involvere at bygge bro mellem AI- og vandforskningssamfundene. Argonnes Water + AI-strategi er tilgængelig online.

Q:Hvilke unikke egenskaber bringer Argonne til Water + AI?

A:Argonne har tre hovedegenskaber, der unikt positionerer os til at tage os af nationens presserende vandudfordringer. Først, Argonne tilbyder en bred vifte af ekspertise under ét tag, herunder materialevidenskab, kemi, fysik, biologi, ingeniørarbejde, fremstilling, kunstig intelligens/maskinlæring, højtydende databehandling, bæredygtighedsanalyse og kvantevidenskab og teknik. Denne ekstraordinært omfattende ekspertise kan udnyttes til at løse de mest komplekse samfundsmæssige udfordringer relateret til vand.

Sekund, Argonne har lanceret sit "AI for Science"-initiativ og tager en førende rolle på tværs af DOE nationale laboratorier i udviklingen af ​​det matematiske grundlag, hardware, software, data, partnerskaber og infrastruktur, der er nødvendig for at fremme kunstig intelligens. Argonnes lange historie med banebrydende fremskridt inden for kunstig intelligens vil muliggøre transformationsløsninger til vand, som ellers ville være umulige.

Endelig, Argonne råder over forskningsfaciliteter i verdensklasse, f.eks. Advanced Photon Source (APS), Center for Nanoscale Materials (CNM), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) og Materials Engineering Research Facility (MERF). ApS, CNM og ALCF er alle DOE Office of Science User Facilities. APS tilbyder ultralys, højenergi røntgenstråler, der er anvendelige til at sondere vand-materiale-grænseflader og endda se kemiske processer, der sker på nanoskala. CNM er en førende brugerfacilitet for tværfaglig nanovidenskab og nanoteknologisk forskning, der adresserer nationale store udfordringer, såsom dem, som vand udgør. I 2022, ALCF vil tilføje den nye Aurora exascale supercomputer som en computerressource, som vil give en hidtil uset evne til at simulere vand-materiale grænseflader med de mindste rumlige og tidsmæssige opløsninger. Argonne er allerede hjemsted for den hurtigste AI-computer i verden, Cerebras CS-1 systemet. MERF anvender avancerede syntese- og procesteknologier til at udvikle skalerbare fremstillingsprocesser for nyligt opfundne eksperimentelle materialer, herunder vandmaterialer, så de kan blive tilgængelige for industriel evaluering, prototyping og yderligere forskning.

Q:Hvad er nogle af de væsentlige resultater af Argonne i vandforskningsrummet?

A:Argonne-forskere har ydet adskillige banebrydende bidrag til vandvidenskab. Et nyligt eksempel er observation af de hurtigste kemiske processer i nedbrydning af vandmolekyler forårsaget af stråling, forståelse for, hvad der er af grundlæggende betydning på forskellige områder såsom vandkølede atomreaktorer og medicinsk forskning om strålingsinduceret genomisk skade. Et andet eksempel er brugen af ​​kunstige neurale netværksmodeller kombineret med maskinlæring (ML) til at forudsige centrale vandegenskaber. Argonne har også udviklet vigtige licenserbare teknologier, inklusive Oleosvampen. Denne genanvendelige svamp kan genvinde olie og andre petroleumsprodukter fra vandmasser efter spild og lækager, overgå industristandardteknologier på flere måder.

Også værd at nævne er, at i erkendelse af Argonnes evner inden for vandforskningsområdet, DOE valgte Argonne National Laboratory i 2018 til at lede Advanced Materials for Energy-Water Systems Center (AMEWS), et DOE Energy Frontier Research Center.

Q:Inden for hvilke forskningsområder inden for vand + kunstig intelligens ser du Argonne vokse i det næste årti?

A:Med vand + AI -strategien, Argonne vil gøre store fremskridt i udviklingen af ​​tre slags intelligente vandsystemer i løbet af det næste årti. Disse er egnede vandsystemer, vandbaserede energisystemer, og vandforvaltningssystemer. Succes vil kræve vækst på seks områder:vandmaterialer, vandsensorer og kontroller, selektiv adskillelse, modellering og AI/ML, fremstilling, og bæredygtighed.

Et af vækstområderne inden for bæredygtighed, der nu behandles med AI i Argonne, er udfordringen omkring en forurening, per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS). Der er tusindvis af PFAS-forbindelser. De er i mad, kommercielle husholdningsprodukter, køkkengrej, arbejdspladsen, levende organismer, drikker vand, og grundvand. De udgør en betydelig national udfordring med hensyn til sundhedsskadelige virkninger og genbrug af vand, og de anslåede omkostninger til national oprydning er i milliarder af dollars. At løse denne udfordring ville have vigtige konsekvenser for genbrug af vand, da vi skal udvinde PFAS før vand genbruges.

Q:Hvad er den vigtigste ting, du ønsker, at folk skal vide om Water + AI hos Argonne?

A:Argonnes Water + AI-strategi vil potentielt transformere vandindustrien ved at tilbyde omkostningseffektive og socialt ansvarlige løsninger på de mange udfordringer. Vi vil opnå denne vision gennem partnerskaber med vores interessenter, herunder lokale, statslige og føderale regeringer, akademiske og nationale laboratoriesamarbejdspartnere, industrielle partnere, nonprofit organisationer, og regionale økonomiske udviklingshubs. Derfor, vi ser frem til at udvikle partnerskaber med nuværende samarbejdspartnere samt opbygge partnerskab med nye.