Muchas preguntas rodean cómo resolver mejor los numerosos problemas relacionados con la gestión eficiente de nuestros preciosos recursos hídricos. Hicimos algunas preguntas sobre la ciencia y la ingeniería del agua de Junhong Chen, estratega de agua principal en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y profesor de ingeniería molecular en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago. Antes de venir a Chicago, Chen se desempeñó como director de programa para el programa de Centros de Investigación en Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

P:¿De qué manera es importante la investigación del agua para las necesidades de energía sostenible de la nación? prosperidad económica y seguridad?

R:El agua es un recurso indispensable de nuestra sociedad, ya que es necesaria para mantener la vida y la prosperidad económica. Por ejemplo, se necesita agua para fabricar casi todo, que van desde la energía hasta la comida, ropa, automóviles y electrónica. Está, por lo tanto, una parte integral de nuestra vida más allá de simplemente saciar la sed. Nuestra economía futura y nuestra seguridad nacional dependen en gran medida de la disponibilidad de agua limpia. Sin embargo, hay un suministro limitado de agua dulce renovable sin sustituto. Crecimiento demográfico y económico, El cambio climático y la urbanización exacerban aún más el creciente estrés hídrico a nivel mundial. Como tal, Necesitamos con urgencia soluciones científicas y de ingeniería para lograr una gestión más eficiente de nuestros preciosos recursos hídricos. Investigación e innovación en torno a la conservación del agua, reciclaje, la recuperación y la reutilización son fundamentales para satisfacer las necesidades nacionales. En respuesta a la inminente crisis del agua, la Casa Blanca inició un Gran Desafío de la Seguridad del Agua, dirigido por DOE. Su objetivo es promover la innovación y la tecnología transformacional para satisfacer la necesidad global de seguridad, agua segura y asequible.

P:¿Cuál es la estrategia de Argonne para contribuir a la ciencia del agua en un futuro próximo?

R:Hemos llamado al esfuerzo de agua de Argonne "Agua + IA". Nuestra misión es perseguir la ciencia y la ingeniería del agua potenciadas por la inteligencia artificial (IA). Nuestra estrategia básica es aprovechar el poder de la IA para abordar el Gran Desafío de la Seguridad del Agua del DOE y los muchos desafíos científicos relevantes para el nexo entre la energía y el agua. Esto implicará tender un puente entre las comunidades de investigación de la IA y el agua. La estrategia Agua + IA de Argonne está disponible en línea.

P:¿Qué capacidades únicas aporta Argonne a Water + AI?

R:Argonne tiene tres capacidades principales que nos posicionan de manera única para enfrentar los urgentes desafíos del agua de la nación. Primero, Argonne ofrece una amplia gama de conocimientos bajo un mismo techo, incluida la ciencia de los materiales, química, física, biología, Ingenieria, fabricación, inteligencia artificial / aprendizaje automático, computación de alto rendimiento, análisis de sostenibilidad y ciencia e ingeniería cuánticas. Esta experiencia extraordinariamente amplia se puede aprovechar para abordar los desafíos sociales más complejos relacionados con el agua.

Segundo, Argonne ha lanzado su iniciativa "AI for Science" y está asumiendo un papel de liderazgo en los laboratorios nacionales del DOE en el desarrollo de las bases matemáticas, hardware, software, datos, asociaciones e infraestructura necesarias para promover la IA. La larga historia de Argonne de avances pioneros en IA permitirá soluciones transformadoras para el agua que de otro modo serían imposibles.

Finalmente, Argonne tiene a su disposición instalaciones de investigación de clase mundial, como la fuente de fotones avanzada (APS), Centro de Materiales a Nanoescala (CNM), Centro de Computación de Liderazgo de Argonne (ALCF) y Centro de Investigación de Ingeniería de Materiales (MERF). El APS, CNM y ALCF son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El APS ofrece ultrabrillante, Rayos X de alta energía aplicables para sondear interfaces agua-material e incluso observar procesos químicos que ocurren en la nanoescala. El CNM es una instalación de usuario de primer nivel para la investigación interdisciplinaria de nanociencia y nanotecnología que aborda los grandes desafíos nacionales, como los que plantea el agua. En 2022, el ALCF agregará como recurso informático la nueva supercomputadora de exaescala Aurora, lo que proporcionará una capacidad sin precedentes para simular interfaces agua-material con las resoluciones espaciales y temporales más pequeñas. Argonne ya alberga la computadora de inteligencia artificial más rápida del mundo, el sistema Cerebras CS-1. El MERF aplica tecnologías avanzadas de síntesis y procesamiento para desarrollar procesos de fabricación escalables para materiales experimentales recientemente inventados, incluidos los materiales de agua, para que estén disponibles para evaluación industrial, creación de prototipos e investigación adicional.

P:¿Cuáles son algunos de los logros importantes de Argonne en el espacio de investigación del agua?

R:Los investigadores de Argonne han realizado numerosas contribuciones pioneras a la ciencia del agua. Un ejemplo reciente es la observación de los procesos químicos más rápidos en la descomposición de moléculas de agua causada por la radiación, comprender cuál es de fundamental importancia en diversas áreas, como los reactores nucleares refrigerados por agua y la investigación médica sobre el daño genómico inducido por la radiación. Otro ejemplo es el uso de modelos de redes neuronales artificiales combinados con el aprendizaje automático (ML) para predecir las propiedades clave del agua. Argonne también ha desarrollado importantes tecnologías licenciables, incluyendo la esponja Oleo. Esta esponja reutilizable puede recuperar aceite y otros productos derivados del petróleo de cuerpos de agua después de derrames y fugas. superando las tecnologías estándar de la industria de múltiples maneras.

También vale la pena mencionar que, en reconocimiento de las capacidades de Argonne en el espacio de investigación del agua, El DOE seleccionó el Laboratorio Nacional Argonne en 2018 para liderar el Centro de Materiales Avanzados para Sistemas de Energía-Agua (AMEWS), un Centro de Investigación de la Frontera Energética del DOE.

P:¿En qué áreas de investigación en Agua + IA cree que Argonne crecerá en la próxima década?

R:Con la estrategia Agua + IA, Argonne hará grandes avances en el desarrollo de tres tipos de sistemas de agua inteligentes durante la próxima década. Estos son sistemas de agua aptos para su uso, sistemas de energía habilitados por agua, y sistemas de gestión del agua. El éxito requerirá el crecimiento en seis áreas:materiales de agua, sensores y controles de agua, separación selectiva, modelado y AI / ML, fabricación, y sostenibilidad.

Una de las áreas de crecimiento en sostenibilidad que ahora se está abordando con IA en Argonne es el desafío en torno a un contaminante, sustancias per y polifluoroalquilo (PFAS). Hay miles de compuestos PFAS. Están en la comida productos comerciales para el hogar, utensilios de cocina el lugar de trabajo, organismos vivos, agua potable, y agua subterránea. Representan un importante desafío nacional en términos de efectos perjudiciales para la salud y reutilización del agua, y el costo estimado de la limpieza nacional es de miles de millones de dólares. Resolver este desafío tendría importantes implicaciones para el reciclaje del agua, ya que necesitamos extraer cualquier PFAS antes de reutilizar el agua.

P:¿Cuál es la única cosa clave que desea que la gente sepa sobre Water + AI en Argonne?

R:La estrategia Agua + IA de Argonne transformará potencialmente la industria del agua al ofrecer soluciones rentables y socialmente responsables a los muchos desafíos. Lograremos esta visión a través de asociaciones con nuestros grupos de interés, incluyendo local, gobierno estatal y federal, colaboradores académicos y de laboratorios nacionales, socios industriales, organizaciones sin ánimo de lucro, y centros de desarrollo económico regional. Por lo tanto, Esperamos aumentar las asociaciones con los colaboradores actuales, así como construir asociaciones con otros nuevos.