Dal PSI un’infrastruttura open source che simula equilibri complessi, unisce sei istituzioni svizzere e apre applicazioni dai cementi al litio

Ci sono strumenti scientifici che nascono per risolvere un problema molto specifico e finiscono per ridefinire il modo in cui un intero ecosistema di ricerca affronta sistemi complessi. GEMS, acronimo di Gibbs Energy Minimisation Software, appartiene a questa categoria. Sviluppato al Paul Scherrer Institute, in Svizzera, nel corso di oltre trent’anni, il software consente di calcolare in pochi secondi configurazioni chimiche e termodinamiche che in natura si dispiegano su scale temporali di migliaia, decine di migliaia o persino centinaia di migliaia di anni. Non è una scorciatoia rispetto alla realtà fisica: è un modo per descriverla in forma computabile, traducendo trasformazioni lente, stratificate e spesso inaccessibili all’osservazione diretta in modelli quantitativi utilizzabili da ricercatori, ingegneri e specialisti dei materiali.

La novità non riguarda soltanto il software in sé, ma anche la sua governance. Un nuovo consorzio nazionale riunisce PSI, ETH Zürich, EMPA, Università di Berna, EPFL e Nagra per garantire sviluppo, manutenzione e finanziamento condivisi nel lungo periodo. È un passaggio che segnala una maturazione importante: quando uno strumento scientifico diventa trasversale a più discipline, non basta più il lavoro di un singolo laboratorio. Serve una struttura stabile, capace di tenere insieme codice, banche dati termodinamiche, aggiornamenti metodologici e casi d’uso in continua espansione.

Dal punto di vista dell’innovazione, è qui che il caso GEMS diventa particolarmente interessante. Oggi molte infrastrutture digitali della scienza non producono un risultato finale destinato al pubblico, ma moltiplicano la capacità di fare ricerca in settori diversi. Sono tecnologie abilitanti: non costruiscono direttamente una batteria, un cemento o un modello planetario, ma rendono più veloce, più economico e più robusto il percorso con cui quei risultati diventano possibili.

Dalla minima energia di Gibbs a una fisica resa calcolabile

Il cuore di GEMS è la minimizzazione dell’energia di Gibbs, una delle grandezze fondamentali della termodinamica. In termini semplici, il software cerca lo stato più stabile raggiungibile da un sistema chimico date certe condizioni di temperatura, pressione e composizione. George-Dan Miron, che guida il nuovo consorzio, descrive questo principio con una metafora economica: la natura, quando fasi solide, liquide e gassose interagiscono, tende in un certo senso al “prezzo” più basso. Il punto di equilibrio coincide con la configurazione termodinamicamente più favorevole:

“Lo stato con il prezzo più basso è il più stabile, ed è proprio questo che vogliamo calcolare con GEMS”.

L’efficacia di questo approccio dipende da un elemento spesso meno visibile del software: i database associati. Per simulare in modo credibile sistemi naturali o ingegnerizzati non basta un buon algoritmo. Servono dati termodinamici coerenti, completi e continuamente raffinati attraverso esperimenti, calibrazioni e confronti con la letteratura scientifica. È proprio questa combinazione tra motore di calcolo e patrimonio di dati ad aver reso GEMS una piattaforma di riferimento in migliaia di pubblicazioni e in domini disciplinari che, a prima vista, sembrano lontanissimi tra loro.

In un panorama scientifico in cui si parla spesso di intelligenza artificiale, calcolo ad alte prestazioni e digital twin, il Gibbs Energy Minimisation Software rappresenta una traiettoria differente ma complementare. Qui l’innovazione non si fonda su modelli statistici opachi, bensì su una formalizzazione rigorosa delle leggi fisico-chimiche. È un punto cruciale: in molti ambiti industriali regolati o ad alta criticità, dalla gestione dei materiali al nucleare, la capacità di spiegare perché un modello produce un certo esito conta quanto, e talvolta più, della velocità con cui lo produce.

Tre applicazioni mostrano la forza di una piattaforma comune

La versatilità di GEMS emerge con chiarezza dagli esempi richiamati dal PSI. Uno riguarda la planetologia: ricercatori dell’Università di Berna hanno utilizzato il software per ricostruire le condizioni in cui, in un meteorite marziano, si è formata una fase minerale sconosciuta in natura. In questo caso il programma non serve solo a descrivere un equilibrio, ma a risalire a temperature, pressioni e composizioni plausibili di un ambiente del primo sistema solare. È qui che l’immagine della “macchina del tempo” assume un significato preciso: non fantascienza, ma inferenza termodinamica su eventi avvenuti miliardi di anni fa.

Un secondo fronte è quello dei cementi a basse emissioni, dove GEMS viene impiegato da PSI, EMPA ed EPFL per simulare la formazione delle fasi minerali durante l’indurimento, valutarne la stabilità e studiare l’interazione del materiale con l’ambiente circostante. Il valore industriale è evidente. Il cemento è responsabile di circa l’otto per cento delle emissioni globali di anidride carbonica: in questo contesto, poter analizzare virtualmente centinaia di formulazioni prima di avviare i test di laboratorio significa comprimere tempi e costi della sperimentazione, ma anche ridurre il numero di iterazioni fisiche necessarie per arrivare a composti più efficienti e meno emissivi.

La terza applicazione riguarda il litio nelle acque geotermiche profonde. In Europa cresce l’interesse per metodi di estrazione che riducano la dipendenza da filiere lontane e attenuino le criticità ambientali associate ad alcune tecniche convenzionali. In questo scenario, il Gibbs Energy Minimisation Software permette di modellare il comportamento di fluidi complessi in condizioni differenti e di individuare i processi che potrebbero favorire un’estrazione più selettiva. Non si tratta ancora di una soluzione industriale pronta, ma di un tassello decisivo nella fase di progettazione: sapere in anticipo come cambia la composizione chimica di un sistema significa orientare meglio esperimenti, impianti pilota e valutazioni economiche.

Meteoriti, cementi e fluidi geotermici hanno poco in comune dal punto di vista applicativo, ma molto in comune dal punto di vista metodologico. Tutti richiedono di capire come elementi e composti si distribuiscono tra più fasi e quali condizioni determinano il loro stato finale. La vera innovazione di GEMS sta proprio in questa riusabilità scientifica: una stessa architettura di calcolo può sostenere ricerca fondamentale, sviluppo industriale e pianificazione tecnologica in ambiti diversi.

Dal deposito geologico a un’infrastruttura digitale della ricerca

Paradossalmente, la storia di GEMS non parte da applicazioni così ampie. Il software è stato plasmato dal lavoro su un problema molto concreto: comprendere come materiali, acque e rocce interagiscano in un deposito geologico profondo destinato allo smaltimento dei rifiuti radioattivi. Per un progetto di questa natura occorre simulare reazioni tra acciaio, cemento, argilla opalina, fluidi e radionuclidi lungo orizzonti temporali che eccedono di molto quelli ordinari dell’ingegneria civile o di processo.

Alla fine degli Anni Ottanta, con l’arrivo di personal computer più potenti nella ricerca, il geochimico Dmitrii Kulik iniziò al PSI a sviluppare in modo sistematico un prototipo di strumento di modellazione geochimica. Nel tempo quel lavoro si è trasformato in una piattaforma più robusta, capace di crescere insieme ai problemi che doveva risolvere. In parallelo, la collaborazione con Nagra e l’attività sperimentale del PSI, compresi gli studi su radionuclidi, rocce naturali e materiali cementizi, hanno alimentato una base di dati che oggi costituisce una parte decisiva del valore del sistema.

Questo passaggio è rilevante anche dal punto di vista dei modelli di innovazione. Molte tecnologie computazionali ad alto impatto non nascono da una genericità iniziale, ma da una specializzazione estrema. Vengono progettate per un bisogno rigoroso, spesso regolato e scientificamente esigente. Soltanto in un secondo tempo, quando i metodi si consolidano e i dati diventano trasferibili, si aprono applicazioni laterali in altri campi. GEMS sembra seguire esattamente questa traiettoria: da strumento specialistico per la geochimica dei depositi profondi a piattaforma di riferimento per problemi di equilibrio in sistemi naturali e ingegnerizzati.

In un certo senso, il software mostra anche come si stia trasformando il concetto di infrastruttura scientifica. Non più soltanto laboratori, impianti o grandi apparecchiature, ma anche codice open source, archivi di dati e comunità di manutenzione. La competitività di un Paese nella ricerca passa sempre più da questo tipo di asset: invisibili al grande pubblico, ma cruciali per rendere scalabili le competenze e cumulativo il progresso.

Il consorzio riduce il rischio e amplia il perimetro del valore

La costituzione del consorzio nazionale risponde proprio a una sfida tipica del software scientifico maturo. Più crescono gli utenti, i modelli, i database e le pubblicazioni che dipendono da una piattaforma, più aumenta il costo della sua affidabilità. Aggiornare il codice, verificare la coerenza dei dati, assicurare compatibilità, documentazione e continuità di sviluppo diventa un lavoro permanente. Senza una governance condivisa, il rischio è che strumenti centrali per la ricerca restino appesi al ciclo professionale di pochi specialisti o a fondi episodici.

Il passaggio di testimone scientifico da Dmitrii Kulik a George-Dan Miron si inserisce in questo quadro. Non è solo una successione personale, ma una formalizzazione istituzionale. Il messaggio è che GEMS deve continuare a essere un software open source di frontiera, sostenuto da più attori e capace di operare oltre i confini disciplinari. Per il sistema svizzero della ricerca, questo significa proteggere un vantaggio metodologico; per le comunità scientifiche internazionali, significa poter contare su uno strumento accessibile, aggiornato e sostenuto nel lungo periodo:

“GEMS deve rimanere un software open source all’avanguardia che supporta i ricercatori di tutto il mondo e al di là dei confini disciplinari”.

Le implicazioni per il settore sono ampie. In un’epoca in cui l’innovazione dei materiali, l’estrazione sostenibile delle risorse, la chimica ambientale e la sicurezza delle infrastrutture energetiche richiedono modelli sempre più affidabili, piattaforme come il Gibbs Energy Minimisation Software possono diventare un punto di raccordo tra scienza fondamentale e decisioni operative. Consentono di scremare ipotesi, anticipare comportamenti, ridurre l’incertezza sperimentale e concentrare le risorse sui percorsi più promettenti.

Il caso mostra infine una curiosità non secondaria: uno strumento nato per capire processi lentissimi diventa strategico in un tempo che chiede accelerazione. La sua funzione non è banalmente quella di “fare più in fretta”, ma comprimere la distanza tra osservazione, ipotesi e verifica. È qui che GEMS rivela la propria utilità più profonda: rendere navigabili tempi geologici, industriali e sperimentali molto diversi fra loro, portandoli entro l’orizzonte decisionale della ricerca contemporanea.

In questo senso, la “macchina del tempo” evocata dal Paul Scherrer Institute non è una metafora ornamentale. È la definizione più efficace di una tecnologia che trasforma l’equilibrio termodinamico in un’informazione operativa. E che, proprio per questo, può contribuire a progettare meglio materiali, processi e filiere in cui la precisione scientifica non è un lusso, ma una condizione di competitività. Contesto e dati di base verificati sulla comunicazione ufficiale federale sul progetto GEMS, sulla pagina tecnica del software PSI e su fonti istituzionali relative al peso climatico del cemento.

La simulazione di migliaia di anni in pochi secondi attraverso GEMS

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