Koroze oceli je jedním z nejtrvalejších a nejnákladnějších problémů v oblasti infrastruktury a stavebnictví. Od mostů a potrubí až po lodě a mrakodrapy může postupný rozpad kovových konstrukcí vést k obrovským finančním ztrátám, které ročně představují 3-4 % celosvětového HDP.
Pro řešení tohoto problému vyvinuli výzkumníci z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) průlomový simulační model koroze, který by mohl výrazně zlepšit způsob, jakým inženýři předpovídají korozi a navrhují odolnější materiály. Tato práce, která byla nedávno publikována v časopise Nature Communications, nabízí nový přístup k předvídání koroze dříve, než k ní dojde - vývoj, který by mohl pomoci předcházet selhání materiálů a prodloužit životnost kritické infrastruktury.
Význam modelování koroze oceli
Koroze často začíná tam, kde ji nejméně očekáváme - ve skrytých, vysoce namáhaných oblastech projektu. Až dosud se většina strategií pro prevenci koroze opírala o historické údaje ze známých slitin a dobře zdokumentovaných podmínek prostředí. S vývojem materiálů a stále agresivnějším prostředím však tyto starší modely již nestačí.
Výzkumníci z LLNL použili pokročilé kinetické modelování k simulaci koroze v nanorozměrech a odhalili, jak se ochranné vrstvy oxidů vytvářejí, rozpadají a v průběhu času obnovují. Tyto tenké vrstvy jsou zásadní - pokud se rozpustí nebo se stanou propustnými, koroze postupuje velmi rychle a může vést k předčasnému selhání materiálu.
Přístup založený na strojovém učení pro predikci koroze
Aby byl jejich simulační model byl prakticky použitelný a snadno škálovatelný, tým z LLNL integroval model inspirovaný strojovým učením, který dokáže předpovědět nástup koroze na základě environmentálních a materiálových faktorů – včetně pH, napětí a složení. Místo spoléhání se na metodu pokus–omyl by inženýři jednou mohli zadat tyto parametry do digitálního nástroje a získat přesné predikce rizika koroze.
Tento přístup představuje významný pokrok v analýze trvanlivosti materiálů, zejména u projektů, které zahrnují nové slitiny, složité interakce materiálů nebo vysoce proměnlivé environmentální podmínky.
Záhada zóny středního napětí - vyřešeno
Jedním z nejcennějších objevů tohoto výzkumu bylo vysvětlení toho, co se děje v v této zóně, kde materiál mění své chování z náchylného na korozi na chování odolné vůči korozi, která inženýry dlouho mátla.
LLNL zjistila, že v tomto režimu spolu soupeří dva procesy - rozpouštění a opětovné srážení. Jak molekuly opouštějí povrch kovu, mísí se s okolím a znovu se usazují, přetvářejí vrstvu oxidu nepředvídatelným způsobem. Výsledkem je ochranná bariéra, která může vypadat stabilně, ale má zcela jiné vlastnosti.
I bez vnějšího napětí může umístění nesourodých kovů v těsném kontaktu vytvořit jakousi mikrobaterii, která vyvolá stejné podmínky. To má zásadní důsledky pro konstrukci mostů, stavbu lodí a další oblasti, kde se běžně vyskytují konstrukce ze smíšených kovů.
Návrh infrastruktury odolné vůči korozi
Podrobné simulace korozních procesů otevírají cestu k proaktivnímu návrhu materiálů. Namísto očekávání selhání nebo spoléhání se na bezpečnostní rezervy budou moci inženýři používat prediktivní modely, které jim už od samého začátku pomohou lépe volit materiály i konstrukční řešení.
Všem, kteří se zabývají odolností infrastruktury, plánováním životního cyklu aktiv nebo korozním inženýrstvím, nabídne tento model chytřejší a daty podložený způsob, jak snížit riziko a prodloužit životnost vybudovaných aktiv.
Práce LLNL je skvělým příkladem toho, jak může modelování založené na datech a strojovém učení posouvat nové hranice v oblasti odolnosti materiálů - a, že pozornost věnovaná korozi už dnes může vést k pevnější a chytřejší infrastruktuře zítřka.
