Ein Team von Forscher:innen der University of Southern California (USC) in Los Angeles hat ein KI-Modell entwickelt, das die Materialwissenschaft verändern könnte. Dieses Modell, genannt Allegro-FM, ermöglicht es, die Eigenschaften von Werkstoffen auf atomarer Ebene mit bisher unerreichter Geschwindigkeit und in einem gewaltigen Maßstab zu simulieren.

In einer ersten aufsehenerregenden Anwendung hat das Team die theoretische Machbarkeit eines neuartigen Betons nachgewiesen. Wie die USC in einer Pressemitteilung via Science Daily berichtet, könnte dieser Beton nicht nur klimaneutral sein, sondern sogar CO₂ aus der Atmosphäre binden und gleichzeitig eine Haltbarkeit von Jahrhunderten aufweisen.

Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in der Funktionsweise von Allegro-FM. Traditionell erfordert die Simulation von atomaren Wechselwirkungen immense Rechenleistung und komplexe Formeln aus der Quantenmechanik. Das KI-Modell geht einen anderen Weg: Es ist ein sogenanntes Grundlagenmodell (Foundation Model), ähnlich den großen Sprachmodellen, das darauf trainiert wurde, die physikalischen Interaktionen zwischen Atomen zu verstehen.

Das Modell kann das Verhalten von 89 Elementen vorhersagen und damit komplexe chemische Systeme wie Zement simulieren. In ihren im Fachjournal The Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlichten Ergebnissen beschreiben die Forscher:innen – darunter die Materialwissenschaftlerin Priya Vashishta und ihre Kollegen Aiichiro Nakano und Ken-ichi Nomura – wie Allegro-FM auf dem Aurora-Supercomputer des Argonne National Laboratory nahe Chicago im US-Bundesstaat Illinois Simulationen mit über vier Milliarden Atomen durchführte. Das ist ein rund 1.000-fach größerer Maßstab als bei bisherigen Ansätzen.

Die Simulationen deuten an, dass das bei der Zementherstellung emittierte Kohlendioxid wieder in den Beton eingebunden werden kann. Dort würde es eine feste Karbonatschicht bilden. Dieser Prozess macht den Beton nicht nur zu einer potenziellen Kohlenstoffsenke, sondern erhöht laut den Simulationen auch seine mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit erheblich.

Damit ziehen die Forscher:innen eine direkte Parallele zum antiken römischen Beton, dessen extreme Langlebigkeit lange ein Rätsel war. Erst 2023 konnten Forscher:innen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, nachweisen, dass die Römer eine „Heißmischtechnik” nutzten. Wie das MIT damals berichtete, führte diese Technik zur Bildung von Kalkklasten, die bei Rissbildung mit eindringendem Wasser reagierten, kristallisierten und den Beton so über Jahrhunderte selbst heilten. Allegro-FM scheint nun einen Weg gefunden zu haben, einen ähnlichen Effekt gezielt und für die moderne Zeit zu entwerfen.

Bei aller wissenschaftlichen Bedeutung der Ergebnisse ist eine kritische Einordnung geboten. Bislang existiert der Super-Beton ausschließlich im Speicher eines Supercomputers. Der Schritt von einer erfolgreichen Simulation zu einem praxistauglichen, skalierbaren und vor allem wirtschaftlichen Produkt ist erfahrungsgemäß weit und mit hohen Hürden verbunden.

Die Bauindustrie ist ein konservativer Sektor mit strengen Normen und langen Zertifizierungszyklen. Die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren und die Sicherstellung einer konstanten Qualität im industriellen Maßstab stellen massive Herausforderungen dar, die über die reine Materialwissenschaft hinausgehen. Die Kosten für einen solchen High-Tech-Baustoff sind ebenfalls ein entscheidender, noch völlig offener Faktor.

Dennoch zeigt die Arbeit an Allegro-FM eindrücklich das Potenzial von künstlicher Intelligenz in den Grundlagenwissenschaften. Anstatt nur bestehende Daten zu analysieren, wird KI hier zu einem kreativen Werkzeug, das völlig neue Lösungen für einige der drängendsten Probleme unserer Zeit entwerfen kann – zumindest auf dem Papier.