Порошок из водорослей в цементе снижает выбросы CO₂ без потери прочности

От водорослей к строительному материалу: водоросль Ulva (правая чашка Петри) высушивается (центр), измельчается в порошок (слева) и затем смешивается с традиционным цементом (колба). Темный цементный куб (вверху по центру) содержит 5% водорослей по массе. Автор: Марк Стоун / Университет Вашингтона

Современный мир построен на бетоне. Люди ежегодно используют больше бетона, чем любого другого материала, кроме воды. Однако цемент — ключевой компонент бетона — является источником до 10% всех мировых выбросов углекислого газа.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета Вашингтона и Microsoft разработали новый тип низкоуглеродного бетона, смешав высушенные и измельченные водоросли с цементом. Такой цемент с добавкой водорослей снижает потенциал глобального потепления на 21%, сохраняя при этом прочность. Благодаря использованию моделей машинного обучения команда смогла значительно ускорить процесс разработки новой формулы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Matter.

«Цемент повсюду — это основа современной инфраструктуры, но он имеет огромные климатические издержки», — говорит старший автор исследования Элефтерия Руммели, доцент кафедры материаловедения и инженерии Университета Вашингтона.

«Что делает эту работу особенно интересной, так это то, что мы показали, как обильный фотосинтетический материал, такой как зеленые водоросли, может быть включен в состав цемента для сокращения выбросов без дорогостоящей обработки и потери производительности».

Производство одного килограмма цемента приводит к выбросу почти такого же количества CO₂. Большая часть этих выбросов возникает из-за использования ископаемого топлива для нагрева сырья и химической реакции кальцинирования в процессе производства.

Водоросли, напротив, являются поглотителем углерода: они извлекают его из воздуха и накапливают в процессе роста. И что удивительно — они могут напрямую заменять часть цемента в бетоне, значительно снижая углеродный след.

По оценкам Руммели, поиск идеальной смеси ингредиентов традиционным методом занял бы пять лет проб и ошибок, поскольку каждый образец бетона требует около месяца для полного отверждения перед точной оценкой свойств.

Чтобы ускорить процесс, команда создала специальную модель машинного обучения и обучила её на 24 начальных вариантах состава цемента. Затем модель использовали для прогнозирования идеальных смесей, которые тестировали в лаборатории.

Оптимальный состав цемента с добавкой водорослей, обладающий сниженным углеродным следом и прошедший испытания на прочность, был найден всего за 28 дней.

«Машинное обучение сыграло ключевую роль в ускорении процесса, что особенно важно, поскольку мы вводим совершенно новый материал в состав цемента», — отметила Руммели.

В дальнейшем команда планирует углубить понимание того, как состав и структура водорослей влияют на свойства цемента. Крупная цель — распространить метод на другие виды водорослей (и даже пищевые отходы), чтобы производители могли создавать локальные экологичные альтернативы цементу по всему миру и оптимизировать их с помощью машинного обучения.

«Комбинируя природные материалы, такие как водоросли, с современными инструментами анализа данных, мы можем локализовать производство, сократить выбросы и быстрее перейти к "зеленой" инфраструктуре», — добавила исследовательница. — «Это важный шаг к новому поколению устойчивых строительных материалов».

Дополнительная информация: Meng-Yen Lin и др., Closed-loop optimization using machine learning for the accelerated design of sustainable cements incorporating algal biomatter, Matter (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102267

Источник: University of Washington