p Muitas questões envolvem a melhor maneira de resolver os inúmeros problemas que envolvem a gestão eficiente de nossos preciosos recursos hídricos. Fizemos algumas perguntas sobre ciência e engenharia da água de Junhong Chen, Estrategista-chefe de água no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e professor de engenharia molecular na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago. Antes de vir para Chicago, Chen atuou como diretor do programa Centros de Pesquisa em Engenharia da Fundação Nacional de Ciências dos EUA. p P:De que forma a pesquisa sobre a água é importante para as necessidades de energia sustentável da nação, prosperidade econômica e segurança?

p R:A água é um recurso indispensável de nossa sociedade, pois é necessária para sustentar a vida e a prosperidade econômica. Por exemplo, a água é necessária para a fabricação de quase tudo, variando de energia a comida, roupas, carros e eletrônicos. Isto é, portanto, uma parte integrante de nossa vida além de simplesmente matar a sede. Nossa economia futura e segurança nacional dependem muito da disponibilidade de água potável. Contudo, há um suprimento limitado de água doce renovável sem substituto. População e crescimento econômico, as mudanças climáticas e a urbanização agravam ainda mais o crescente estresse hídrico em todo o mundo. Como tal, Precisamos urgentemente de soluções científicas e de engenharia para alcançar uma gestão mais eficiente de nossos preciosos recursos hídricos. Pesquisa e inovação em torno da conservação da água, reciclando, a recuperação e a reutilização são essenciais para atender às necessidades nacionais. Em resposta à iminente crise da água, a Casa Branca iniciou um Grande Desafio de Segurança da Água, liderado pelo DOE. Seu objetivo é o avanço da tecnologia de transformação e inovação para atender à necessidade global de segurança, água segura e acessível.

p P:Qual é a estratégia de Argonne para contribuir com a ciência da água no futuro próximo?

p R:Chamamos o esforço de água de Argonne de "Água + IA." Nossa missão é buscar ciência e engenharia da água com base na inteligência artificial (IA). Nossa estratégia básica é alavancar o poder da IA ​​para enfrentar o Grande Desafio de Segurança da Água DOE e os muitos desafios científicos relevantes para o nexo entre energia e água. Isso envolverá a ponte entre as comunidades de pesquisa de IA e água. A estratégia Água + IA da Argonne está disponível online.

p P:Quais recursos exclusivos o Argonne traz para o Water + AI?

p R:Argonne tem três capacidades principais que nos posicionam de maneira única para enfrentar os desafios urgentes de água do país. Primeiro, Argonne oferece uma ampla gama de conhecimentos sob o mesmo teto, incluindo ciência de materiais, química, física, biologia, Engenharia, fabricação, inteligência artificial / aprendizado de máquina, computação de alto desempenho, análise de sustentabilidade e ciência quântica e engenharia. Essa experiência extraordinariamente ampla pode ser aproveitada para lidar com os desafios sociais mais complexos relacionados à água.

p Segundo, Argonne lançou sua iniciativa "AI for Science" e está assumindo um papel de liderança nos laboratórios nacionais do DOE no desenvolvimento de bases matemáticas, hardware, Programas, dados, parcerias e infraestrutura necessárias para o avanço da IA. A longa história de Argonne de avanços pioneiros em IA possibilitará soluções transformacionais para a água que de outra forma seriam impossíveis.

p Finalmente, Argonne tem à sua disposição instalações de pesquisa de classe mundial, como a Advanced Photon Source (APS), Centro de Materiais em nanoescala (CNM), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) e Materials Engineering Research Facility (MERF). O APS, CNM e ALCF são todas instalações do DOE Office of Science User. O APS oferece ultrabright, raios X de alta energia aplicáveis ​​para sondar interfaces água-material e até mesmo observar processos químicos que acontecem em nanoescala. O CNM é uma instalação de usuário premier para nanociência interdisciplinar e pesquisa em nanotecnologia que aborda grandes desafios nacionais, como aqueles colocados pela água. Em 2022, o ALCF adicionará como recurso de computação o novo supercomputador Aurora exascale, que fornecerá uma capacidade sem precedentes para simular interfaces água-material com as menores resoluções espaciais e temporais. Argonne já abriga o computador de IA mais rápido do mundo, o sistema Cerebras CS-1. O MERF aplica síntese avançada e tecnologias de processamento para desenvolver processos de fabricação escaláveis ​​para materiais experimentais recém-inventados, incluindo materiais de água, para que possam ser disponibilizados para avaliação industrial, prototipagem e pesquisas futuras.

p P:Quais são algumas das realizações significativas de Argonne no espaço de pesquisa da água?

p R:Os pesquisadores de Argonne fizeram inúmeras contribuições pioneiras para a ciência da água. Um exemplo recente é a observação dos processos químicos mais rápidos na decomposição das moléculas de água causados ​​pela radiação, a compreensão do que é de fundamental importância em diversas áreas, como reatores nucleares refrigerados a água e pesquisas médicas sobre danos genômicos induzidos por radiação. Outro exemplo é o uso de modelos de redes neurais artificiais combinados com aprendizado de máquina (ML) para prever as principais propriedades da água. Argonne também desenvolveu importantes tecnologias licenciáveis, incluindo a esponja Oleo. Esta esponja reutilizável pode recuperar óleo e outros produtos petrolíferos de corpos d'água após derramamentos e vazamentos, ultrapassando as tecnologias padrão da indústria de várias maneiras.

p Também vale a pena mencionar que, em reconhecimento às capacidades de Argonne no espaço de pesquisa de água, O DOE selecionou o Laboratório Nacional de Argonne em 2018 para liderar o Centro de Materiais Avançados para Sistemas de Energia-Água (AMEWS), um DOE Energy Frontier Research Center.

p P:Em quais áreas de pesquisa em Água + IA você vê Argonne crescendo na próxima década?

p R:Com a estratégia Água + IA, Argonne fará grandes avanços no desenvolvimento de três tipos de sistemas inteligentes de água na próxima década. Estes são sistemas de água adequados para um propósito, sistemas de energia habilitados para água, e sistemas de gestão de água. O sucesso exigirá crescimento em seis áreas:materiais hídricos, sensores e controles de água, separação seletiva, modelagem e AI / ML, fabricação, e sustentabilidade.

p Uma das áreas de crescimento em sustentabilidade agora sendo abordada com IA em Argonne é o desafio em torno de um contaminante, substâncias per- e polifluoroalquil (PFAS). Existem milhares de compostos PFAS. Eles estão na comida, produtos domésticos comerciais, utensílios de cozinha, o local de trabalho, organismos vivos, água potável, e águas subterrâneas. Eles representam um desafio nacional significativo em termos de efeitos prejudiciais à saúde e reutilização de água, e o custo estimado da limpeza nacional está na casa dos bilhões de dólares. Resolver este desafio teria implicações importantes para a reciclagem de água, uma vez que precisamos extrair qualquer PFAS antes da reutilização da água.

p P:Qual é a única coisa importante que você deseja que as pessoas saibam sobre Água + IA em Argonne?

p R:A estratégia Água + IA da Argonne irá potencialmente transformar o setor de água, oferecendo soluções econômicas e socialmente responsáveis ​​para muitos desafios. Alcançaremos essa visão por meio de parcerias com nossas partes interessadas, incluindo local, governo estadual e federal, colaboradores acadêmicos e de laboratórios nacionais, parceiros industriais, organizações sem fins lucrativos, e centros regionais de desenvolvimento econômico. Portanto, estamos ansiosos para aumentar as parcerias com os colaboradores atuais, bem como construir parcerias com novos.