美国能源部发布《能源领域AI前沿研究方向》报告

近期，美国能源部发布《能源领域AI前沿研究方向》报告，该报告主要关注了五个对美国未来能源至关重要的领域，并强调了人工智能（AI）在塑造世界方面可以发挥的关键作用。报告强调了成为人工智能领域领导者的紧迫性和重要性，以确保为全球能源需求提供有影响力的解决方案。

这些关键领域包括核电、电网、碳管理、能源储存和能源材料等。整合这些领域并与AI科技领域相互补充，具有重要意义。然而，这一过程中存在复杂性、大工作量、实时决策需求、系统稳健性和安全隐患等挑战。该报告涉及多个学科领域的重大挑战，传统手段难以解决。AI的优势在于能同时处理多个系统特征，深度整合实际数据与专业模型。鉴于问题规模和复杂性，传统方法难以胜任，AI为解决问题提供了新可能。

报告指出为了实现对能源的高效生成、存储与利用，材料科学的快速发展已成为一项刻不容缓的任务。其中涵盖了对储能材料、光伏技术、热电材料、催化剂以及先进合金等领域的深入研究。这些材料对于美国实现清洁能源、经济增长及能源公平等多重目标具有举足轻重的地位，旨在有效降低对非再生资源的依赖，并显著减轻对环境的负面影响。

报告强调为实现美国在2050年的可持续性与清洁能源目标，必须迅速发现并设计符合特定属性和性能要求的能源材料，进而高效生产并验证其性能。这一过程要求探索广泛的参数空间，超越手动探索的限制，同时开发成本效益高、可持续的生产方法，解决耐久性与生命周期管理的难题。AI显著推动了能源材料研究，加速了材料的发现和设计过程，提高了实验室自动化水平以实现更快速的合成和测试，并助力向工业级应用过渡。AI在推进能源材料研究中发挥着多方面的作用，包括加快新能源材料的设计和发现；推动实验室自动化以加速合成、迭代测试和优化；弥合从实验室规模研究到认证的工业规模使用之间的差距。AI最新进展具备潜力彻底改变和加快能源材料的发现与生产流程。将焦点放在其应用上时，能源材料最迫切的需求可概括为三个主要领域：

（1）能源的生成、收集及转换：开发能提升从可再生资源与核能产生能源的效率与成本效益的材料是优先考虑的事项。这一目标涉及改善太阳能技术以便更有效地捕获和转换日光，推进适应极端环境的材质和燃料，从而实现更安全、高效的核反应堆运作；创新用于氢气生产的材料；以及研发热电材料，把废热转换成电力。

（2）能源存储与效率：同样需要开展能够更有效率地储存和转换能源的材质设计。这一追求包含了针对先进电池和超级电容器的新材料——这些新材料能提供增强的能源储存能力，同时也涵盖了燃料电池技术的改进和高效的氢气储存方案。此外，还需要那些有助于降低整体系统能源消耗的材质，例如对节能建筑至关重要的改良隔离材料。同样地，轻质材料也是必需的以便实现交通领域中的能源保存与效率提升。

（3）环境的可持续性与可伸缩性：另一项关键的倡议包括减少能源使用和生产中的环境影响。这需要开发用于碳捕获与利用的新型材料——通过降低大气中的二氧化碳水平来帮助缓解气候变化的问题。它也包含新的催化剂发现，以提升与能源相关的化学转换过程的效率，例如生物燃料的生产。所有未来的能源材料都需被设计成可持久且可伸缩的，以便于广泛应用与大规模制造。

为充分满足上述需求，科学界必须全力以赴，聚焦于推动全新科学与技术进展，旨在加速材料发现的进程，进而确认新型材料结构与成分，以满足能源相关应用功能需求的多样性。通过不断优化预测性材料设计，加快原型开发速度，并高效探索广泛的化学变化，从而超越传统的爱迪生式试错方法。此外，构建从实验室试验到工业生产之间的顺畅桥梁也势在必行，以确保新材料的快速部署和广泛应用。

在本报告中，反复出现的几个主题包括：需要快速且准确的计算机辅助设计与测试，涉及材料、化学和存储系统；需要改进预测不确定性和系统性能的量化方法；需要使用人工智能整合多模态数据，以促进科学和技术的进步，同时也为行业政策设计、能源和环境公正提供支持。