De nombreuses questions entourent la meilleure façon de résoudre les nombreux problèmes impliquant une gestion efficace de nos précieuses ressources en eau. Nous avons posé quelques questions concernant la science et l'ingénierie de l'eau de Junhong Chen, stratège en chef de l'eau au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et professeur d'ingénierie moléculaire à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago. Avant de venir à Chicago, Chen a été directeur de programme pour le programme des centres de recherche en ingénierie de la National Science Foundation des États-Unis.

Q :En quoi la recherche sur l'eau est-elle importante pour les besoins de la nation en énergie durable, prospérité et sécurité économiques?

R :L'eau est une ressource indispensable de notre société car elle est nécessaire au maintien de la vie et à la prospérité économique. Par exemple, l'eau est nécessaire pour fabriquer presque tout, allant de l'énergie à la nourriture, vêtements, voitures et électronique. Il est, Donc, partie intégrante de notre vie au-delà de simplement étancher la soif. Notre future économie et notre sécurité nationale dépendent fortement de la disponibilité d'eau potable. Cependant, il y a un approvisionnement limité en eau douce renouvelable sans substitut. Croissance démographique et économique, le changement climatique et l'urbanisation aggravent encore le stress hydrique croissant à l'échelle mondiale. En tant que tel, nous avons un besoin urgent de solutions scientifiques et techniques pour parvenir à une gestion plus efficace de nos précieuses ressources en eau. Recherche et innovation autour de la conservation de l'eau, recyclage, la récupération et la réutilisation sont essentielles pour répondre aux besoins nationaux. En réponse à la crise imminente de l'eau, la Maison Blanche a lancé un Grand Défi de la Sécurité de l'Eau, dirigé par le DOE. Son objectif est de faire progresser la technologie transformationnelle et l'innovation pour répondre au besoin mondial de sécurité, eau sûre et abordable.

Q :Quelle est la stratégie d'Argonne pour contribuer à la science de l'eau dans un futur proche ?

R :Nous avons nommé l'effort aquatique d'Argonne « Eau + IA ». Notre mission est de poursuivre la science et l'ingénierie de l'eau grâce à l'intelligence artificielle (IA). Notre stratégie de base consiste à tirer parti de la puissance de l'IA pour relever le Grand défi de la sécurité de l'eau du DOE et les nombreux défis scientifiques liés au lien entre l'énergie et l'eau. Cela impliquera de faire le pont entre les communautés de recherche sur l'IA et l'eau. La stratégie Eau + IA d'Argonne est disponible en ligne.

Q :Quelles capacités uniques Argonne apporte-t-elle à Water + AI ?

R :Argonne possède trois capacités principales qui nous positionnent de manière unique pour relever les défis urgents de la nation en matière d'eau. D'abord, Argonne offre un large éventail d'expertises sous un même toit, y compris la science des matériaux, chimie, la physique, la biologie, ingénierie, fabrication, intelligence artificielle/apprentissage automatique, calcul haute performance, l'analyse de la durabilité et la science et l'ingénierie quantiques. Cette expertise extraordinairement large peut être mise à profit pour relever les défis sociétaux les plus complexes liés à l'eau.

Seconde, Argonne a lancé son initiative « AI for Science » et joue un rôle de premier plan dans les laboratoires nationaux du DOE dans le développement des fondements mathématiques, Matériel, Logiciel, Les données, les partenariats et l'infrastructure nécessaires pour faire progresser l'IA. La longue histoire d'Argonne en matière d'avancées pionnières en IA permettra des solutions transformationnelles pour l'eau qui seraient autrement impossibles.

Finalement, Argonne dispose d'installations de recherche de classe mondiale, tels que la source de photons avancée (APS), Centre des matériaux nanométriques (CNM), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) et Materials Engineering Research Facility (MERF). L'APS, CNM et ALCF sont toutes des installations d'utilisateurs du DOE Office of Science. L'APS offre ultralumineux, rayons X à haute énergie applicables pour sonder les interfaces eau-matériau et même observer les processus chimiques qui se produisent à l'échelle nanométrique. Le CNM est une installation d'utilisateurs de premier plan pour la recherche interdisciplinaire en nanosciences et en nanotechnologies qui aborde les grands défis nationaux tels que ceux posés par l'eau. En 2022, l'ALCF ajoutera comme ressource de calcul le nouveau supercalculateur exascale Aurora, qui fournira une capacité sans précédent pour simuler les interfaces eau-matériau avec les plus petites résolutions spatiales et temporelles. Argonne abrite déjà l'ordinateur IA le plus rapide au monde, le système Cerebras CS-1. Le MERF applique des technologies de synthèse et de traitement avancées pour développer des processus de fabrication évolutifs pour les matériaux expérimentaux nouvellement inventés, y compris les matières aqueuses, afin qu'ils deviennent disponibles pour une évaluation industrielle, le prototypage et la poursuite des recherches.

Q :Quelles sont certaines des réalisations importantes d'Argonne dans le domaine de la recherche sur l'eau ?

R :Les chercheurs d'Argonne ont apporté de nombreuses contributions pionnières à la science de l'eau. Un exemple récent est l'observation des processus chimiques les plus rapides dans la décomposition des molécules d'eau causée par le rayonnement, dont la compréhension est d'une importance fondamentale dans divers domaines tels que les réacteurs nucléaires refroidis à l'eau et la recherche médicale sur les dommages génomiques radio-induits. Un autre exemple est l'utilisation de modèles de réseaux de neurones artificiels combinés à l'apprentissage automatique (ML) pour prédire les propriétés clés de l'eau. Argonne a également développé d'importantes technologies licenciables, y compris l'éponge Oleo. Cette éponge réutilisable permet de récupérer le pétrole et autres produits pétroliers des plans d'eau après des déversements et des fuites, surpassant les technologies standard de l'industrie de plusieurs manières.

Il convient également de mentionner qu'en reconnaissance des capacités d'Argonne dans le domaine de la recherche sur l'eau, Le DOE a sélectionné le Laboratoire national d'Argonne en 2018 pour diriger le Centre des matériaux avancés pour les systèmes énergie-eau (AMEWS), un centre de recherche DOE Energy Frontier.

Q :Dans quels domaines de recherche en Eau + IA voyez-vous Argonne se développer au cours de la prochaine décennie ?

R :Avec la stratégie Eau + IA, Argonne fera des progrès majeurs dans le développement de trois types de systèmes d'eau intelligents au cours de la prochaine décennie. Ce sont des systèmes d'eau adaptés à l'usage, systèmes d'énergie à base d'eau, et les systèmes de gestion de l'eau. Le succès nécessitera une croissance dans six domaines :eau, matières, capteurs et commandes d'eau, séparation sélective, modélisation et IA/ML, fabrication, et durabilité.

L'un des domaines de croissance en matière de développement durable actuellement abordé avec l'IA à Argonne est le défi autour d'un contaminant, substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS). Il existe des milliers de composés PFAS. Ils sont dans la nourriture, produits ménagers commerciaux, batterie de cuisine, le lieu de travail, les organismes vivants, boire de l'eau, et les eaux souterraines. Ils posent un défi national important en termes d'effets néfastes sur la santé et de réutilisation de l'eau, et le coût estimé du nettoyage national se chiffre en milliards de dollars. Relever ce défi aurait des implications importantes pour le recyclage de l'eau, car nous devons extraire tout PFAS avant la réutilisation de l'eau.

Q :Quelle est la chose clé que vous voulez que les gens sachent à propos de Water + AI à Argonne ?

R :La stratégie Eau + IA d'Argonne transformera potentiellement l'industrie de l'eau en offrant des solutions rentables et socialement responsables aux nombreux défis. Nous réaliserons cette vision grâce à des partenariats avec nos parties prenantes, y compris local, État et gouvernement fédéral, collaborateurs universitaires et laboratoires nationaux, partenaires industriels, associations à but non lucratif, et les pôles de développement économique régional. Par conséquent, nous sommes impatients de développer des partenariats avec nos collaborateurs actuels ainsi que de nouer des partenariats avec de nouveaux.