In laboratorio, l'IA trasforma le impurità in ghisa riciclata più resistente

Ogni anno nel mondo si producono circa 2 miliardi di tonnellate metriche di metallo, e gran parte di questa produzione parte ancora da materie prime primarie. Un team internazionale ha ora dimostrato che le impurità che rovinano il rottame riciclato possono essere usate come ingredienti anziché essere eliminate. Nei test di laboratorio sulla ghisa duttile, le leghe ottenute hanno raggiunto fino al 15,2% in più di resistenza a trazione oppure fino al 73,2% in più di allungamento a rottura, a seconda della proprietà mantenuta costante.

Il problema affrontato dai ricercatori è vecchio. Il rottame metallico varia molto nella composizione chimica e spesso contiene elementi indesiderati, e queste variazioni possono compromettere le proprietà meccaniche delle leghe riciclate. La soluzione convenzionale consiste nel diluire le impurità aggiungendo materiale vergine. Funziona, ma riduce l'interesse del riciclo: produrre metallo vergine richiede grandi quantità di energia e genera una quantità significativa di CO₂. Si stima che la produzione primaria sia responsabile del 40% delle emissioni industriali di gas serra e del 10% del consumo energetico globale, motivo per cui gli autori considerano un riciclo migliore una leva sia sulle emissioni sia sulla dipendenza dalle materie prime importate.

Il metodo è un ciclo di machine learning. Come afferma il dottor Han, il team voleva trasformare «queste impurità da problema in vantaggio». Partendo da progetti di lega esistenti, un algoritmo di ricerca ad albero genera nuovi candidati variando la composizione e i parametri di lavorazione, come temperatura e tempo. Modelli di reti neurali prevedono la resistenza a trazione e l'allungamento di ciascun candidato, e la ricerca bilancia il perfezionamento dei progetti promettenti con l'esplorazione di zone meno testate. Un secondo modello, addestrato su un più ampio dataset composizione-proprietà, seleziona la rosa di candidati prima che i progetti scelti vengano fusi e testati. I nuovi risultati tornano nel database, e il ciclo successivo parte da lì.

Il caso di test è la ghisa duttile, materiale noto per tollerare le impurità. Il team ha prodotto e testato 17 progetti proposti dal framework. 14 di essi si sono classificati tra le migliori combinazioni di resistenza e duttilità del dataset esistente sulla ghisa riciclata. Rispetto a quel riferimento, i guadagni sono stati fino al 15,2% di resistenza a trazione a parità di allungamento, oppure fino al 73,2% di allungamento a rottura a parità di resistenza a trazione. I costi di produzione sono risultati inferiori dell'8,1% rispetto alla via convenzionale. Gli autori riferiscono inoltre che le leghe realizzate interamente con rottame possono superare i materiali ottenuti con sintesi primaria, con un impatto ambientale inferiore.

Per i produttori che acquistano e fondono il rottame, il vantaggio sarebbe costituito da leghe più economiche che non richiedono la diluizione con metallo vergine. Per l'economia in generale, si aprirebbe una strada verso acciai, leghe di alluminio e leghe di rame riciclati destinati ai trasporti, all'energia e alla manifattura, dato che gli autori affermano che il framework potrebbe essere esteso oltre la ghisa duttile. Lo studio non indica alcuna tempistica né un partner industriale. Il passo successivo descritto dagli autori è un sistema più autonomo in cui agenti di IA specializzati coordinano progettazione, pianificazione degli esperimenti e controllo di processo: una direzione che gli autori definiscono promettente, ma che non risulta realizzata. Fino ad allora, i dati restano quelli di una campagna di laboratorio, e la prova ancora da superare è riprodurli su scala di fonderia.