Создание высокоскоростных сплавов может революционизировать будущее водорода

Виталий Ставила, Марк Аллендорф, Мэтью Уитман и Сапан Агарвал являются частью команды Sandia, которая совместно с исследователями из лаборатории Ангстрема в Швеции и Ноттингемского университета в Великобритании опубликовала документ, в котором подробно описывается ее подход.

Исследователи из Sandia National Laboratories и международные сотрудники использовали вычислительные подходы, включая объяснимые модели машинного обучения, для выяснения новых высокоэнтропийных сплавов с привлекательными свойствами хранения водорода и прямого лабораторного синтеза и проверки. Предоставлено: Мэтью Уитман.

«Существует богатая история исследований по хранению водорода и база данных термодинамических величин, описывающих взаимодействие водорода с различными материалами», — сказал Уитман. «Имея эту существующую базу данных, набор инструментов для машинного обучения и других вычислительных инструментов, а также современные экспериментальные возможности, мы собрали международную группу сотрудничества, чтобы объединить усилия в этом направлении. Мы продемонстрировали, что методы машинного обучения действительно могут моделировать физику и химию сложных явлений, которые происходят при взаимодействии водорода с металлами ».

Возможность моделирования на основе данных для прогнозирования термодинамических свойств может быстро увеличить скорость исследования. Фактически, однажды построенные и обученные, такие модели машинного обучения исполняются всего за несколько секунд и, следовательно, могут быстро отследить новые химические пространства: в данном случае 600 материалов, перспективных для хранения и передачи водорода.

«Это было сделано всего за 18 месяцев», — сказал Аллендорф. «Без машинного обучения это могло бы занять несколько лет. Это много, если учесть, что исторически требуется около 20 лет, чтобы от лабораторных исследований до коммерциализации материала ».

Возможность изменить накопление водородной энергии

Команда также нашла кое-что еще в своей работе — результаты, которые имеют драматические последствия для маломасштабного производства водорода на заправочных станциях водородных топливных элементов.

«Эти высокоэнтропийные гидриды сплавов могут обеспечить естественное каскадное сжатие водорода, когда он движется через различные материалы», — сказал Ставила, добавив, что сжатие водорода традиционно осуществляется с помощью механического процесса.

Он описывает строительство резервуара для хранения с несколькими слоями этих разных сплавов. Когда водород закачивается в резервуар, первый слой сжимает газ по мере его прохождения через материал. Второй слой сжимает его еще больше и так далее через все слои различных сплавов, естественным образом делая водород пригодным для использования в двигателях, вырабатывающих электричество.

Водород, производимый в атмосферных условиях на уровне моря, имеет давление около 1 бара — метрическая единица измерения давления. Чтобы водород приводил в действие транспортное средство или какой-либо другой двигатель от топливного элемента, он должен быть сжат — сжат до гораздо более высокого давления. Например, водород на станции зарядки топливных элементов должен иметь давление 800 бар или выше, чтобы его можно было подавать как водород под давлением 700 бар в автомобили, работающие на водороде топливных элементов.

«По мере того, как водород перемещается через эти слои, он становится все более и более сжатым без каких-либо механических усилий», — пояснил Ставила. «Теоретически можно было закачать 1 бар водорода и получить 800 бар — давление, необходимое для водородных зарядных станций».

Команда все еще дорабатывает модель, но, поскольку база данных уже опубликована через Министерство энергетики, как только метод будет лучше понят, использование машинного обучения может привести к прорыву во множестве областей, включая материаловедение, сказал Агарвал.