Koroze oceli je jedním z nejnákladnějších a nejrozšířenějších 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 rámec pro modelování 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 se rychle dostaví.
Metoda strojového učení pro predikci koroze
Aby svůj rámec učinili praktickým a škálovatelným, tým 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 krok 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 režimu středního napětí - oblasti, 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 přiloženého 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.
Navrhování infrastruktury odolné proti korozi
Podrobnou simulací korozních procesů tento výzkum otevírá dveře proaktivnímu navrhování materiálů. Namísto čekání na selhání nebo spoléhání se na konzervativní bezpečnostní rezervy budou moci inženýři používat prediktivní modely k informování o výběru materiálů a konstrukčních návrhů od samého počátku.
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 odhalit nové hranice v oblasti odolnosti materiálů - a proč věnování pozornosti korozi dnes může vést k silnější a inteligentnější infrastruktuře zítra.
