Många frågor kring hur man bäst löser de många problemen som involverar effektiv förvaltning av våra värdefulla vattenresurser. Vi ställde några frågor angående vattenvetenskap och teknik i Junhong Chen, ledande vattenstrateg vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory och professor i molekylär teknik vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering. Innan jag kom till Chicago, Chen tjänstgjorde som programledare för programmet Engineering Research Centers i U.S. National Science Foundation.

F:På vilket sätt är vattenforskning viktig för landets behov av hållbar energi, ekonomiskt välstånd och säkerhet?

S:Vatten är en oumbärlig resurs i vårt samhälle eftersom det krävs för att upprätthålla liv och ekonomiskt välstånd. Till exempel, vatten behövs för att tillverka nästan allt, allt från energi till mat, kläder, bilar och elektronik. Det är, Således, en integrerad del av vårt liv bortom att bara släcka törsten. Vår framtida ekonomi och nationella säkerhet är mycket beroende av tillgången på rent vatten. Dock, det finns ett begränsat utbud av förnybart sötvatten utan ersättning. Befolkning och ekonomisk tillväxt, klimatförändringar och urbanisering förvärrar ytterligare den växande vattenstressen globalt. Som sådan, vi behöver akut vetenskapliga och tekniska lösningar för att uppnå en mer effektiv förvaltning av våra värdefulla vattenresurser. Forskning och innovation kring vattenbesparing, återvinning, återvinning och återanvändning är avgörande för att tillgodose de nationella behoven. Som svar på den hotande vattenkrisen, Vita huset initierade en Water Security Grand Challenge, leds av DOE. Dess mål är att främja transformationsteknik och innovation för att möta det globala behovet av säkra, säkert och prisvärt vatten.

F:Vad är Argonnes strategi för att bidra till vattenvetenskap inom en snar framtid?

S:Vi har döpt Argonnes vattensatsning till "Vatten + AI." Vårt uppdrag är att bedriva vattenvetenskap och teknik med hjälp av artificiell intelligens (AI). Vår grundläggande strategi är att utnyttja kraften hos AI för att tackla DOE Water Security Grand Challenge och de många vetenskapliga utmaningarna som är relevanta för kopplingen mellan energi och vatten. Detta kommer att innebära att överbrygga AI- och vattenforskningsgemenskaperna. Argonnes Water + AI-strategi är tillgänglig online.

F:Vilka unika möjligheter tillför Argonne till Water + AI?

S:Argonne har tre huvudfunktioner som unikt positionerar oss för att ta oss an nationens pressande vattenutmaningar. Först, Argonne erbjuder ett brett utbud av expertis under ett tak, inklusive materialvetenskap, kemi, fysik, biologi, teknik, tillverkning, artificiell intelligens/maskininlärning, högpresterande datoranvändning, hållbarhetsanalys och kvantvetenskap och ingenjörskonst. Denna utomordentligt omfattande expertis kan utnyttjas för att ta itu med de mest komplexa samhällsutmaningarna relaterade till vatten.

Andra, Argonne har lanserat sitt "AI for Science"-initiativ och tar en ledande roll över DOE nationella laboratorier för att utveckla de matematiska grunderna, hårdvara, programvara, data, partnerskap och infrastruktur som behövs för att främja AI. Argonnes långa historia av banbrytande framsteg inom AI kommer att möjliggöra transformationslösningar för vatten som annars skulle vara omöjliga.

Till sist, Argonne har forskningsanläggningar i världsklass till sitt förfogande, såsom Advanced Photon Source (APS), Center for Nanoscale Materials (CNM), Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) och Materials Engineering Research Facility (MERF). APS, CNM och ALCF är alla DOE Office of Science User Facilities. APS erbjuder ultraljus, högenergiröntgenstrålar som kan användas för att undersöka gränssnitt mellan vatten och material och till och med titta på kemiska processer som sker på nanoskala. CNM är en förstklassig användaranläggning för tvärvetenskaplig nanovetenskap och nanoteknologisk forskning som tar itu med nationella stora utmaningar som de som vatten utgör. År 2022, ALCF kommer att lägga till den nya Aurora exascale superdatorn som en datorresurs, som kommer att ge en oöverträffad förmåga att simulera gränssnitt mellan vatten och material med de minsta rumsliga och tidsmässiga upplösningarna. Argonne är redan hem för den snabbaste AI-datorn i världen, Cerebras CS-1-systemet. MERF tillämpar avancerad syntes- och bearbetningsteknik för att utveckla skalbara tillverkningsprocesser för nyligen uppfunna experimentella material, inklusive vattenmaterial, så att de kan bli tillgängliga för industriell utvärdering, prototypframställning och vidare forskning.

F:Vilka är några av de betydande framgångarna av Argonne i vattenforskningsområdet?

S:Argonne-forskare har gjort många banbrytande bidrag till vattenvetenskapen. Ett färskt exempel är observationen av de snabbaste kemiska processerna vid nedbrytning av vattenmolekyler orsakade av strålning, förståelse för vilka är av grundläggande betydelse inom olika områden såsom vattenkylda kärnreaktorer och medicinsk forskning om strålningsinducerad genomskada. Ett annat exempel är användningen av artificiella neurala nätverksmodeller i kombination med maskininlärning (ML) för att förutsäga viktiga vattenegenskaper. Argonne har också utvecklat viktiga licenserbara teknologier, inklusive Oleo-svampen. Denna återanvändbara svamp kan återvinna olja och andra petroleumprodukter från vattenmassor efter spill och läckor, överträffar branschstandardteknik på flera sätt.

Också värt att nämna är att som ett erkännande av Argonnes kapacitet inom vattenforskningsområdet, DOE valde Argonne National Laboratory 2018 för att leda Advanced Materials for Energy-Water Systems Center (AMEWS), ett DOE Energy Frontier Research Center.

F:Inom vilka forskningsområden inom vatten + AI ser du Argonne växa under det kommande decenniet?

S:Med Water + AI-strategin, Argonne kommer att göra stora framsteg i utvecklingen av tre typer av intelligenta vattensystem under det kommande decenniet. Dessa är lämpliga vattensystem, vattenaktiverade energisystem, och vattenledningssystem. Framgång kommer att kräva tillväxt inom sex områden:vattenmaterial, vattensensorer och reglage, selektiv separation, modellering och AI/ML, tillverkning, och hållbarhet.

Ett av tillväxtområdena inom hållbarhet som nu tas upp med AI på Argonne är utmaningen kring en förorening, per- och polyfluoralkylsubstanser (PFAS). Det finns tusentals PFAS-föreningar. De är i mat, kommersiella hushållsprodukter, köksredskap, arbetsplatsen, levande organismer, dricker vatten, och grundvatten. De utgör en betydande nationell utmaning när det gäller skadliga hälsoeffekter och återanvändning av vatten, och den beräknade kostnaden för nationell sanering är i miljarder dollar. Att lösa denna utmaning skulle få viktiga konsekvenser för vattenåtervinning, eftersom vi behöver extrahera eventuell PFAS innan vatten återanvänds.

F:Vad är det viktigaste du vill att folk ska veta om Water + AI på Argonne?

S:Argonnes Water + AI-strategi kommer potentiellt att förändra vattenindustrin genom att erbjuda kostnadseffektiva och socialt ansvarsfulla lösningar på de många utmaningarna. Vi kommer att uppnå denna vision genom partnerskap med våra intressenter, inklusive lokala, statliga och federala myndigheter, akademiska och nationella labbsamarbetare, industriella partners, ideella organisationer, och knutpunkter för regional ekonomisk utveckling. Därför, vi ser fram emot att växa partnerskap med nuvarande samarbetspartners samt bygga partnerskap med nya.