Una macchina del tempo verso lo stato più stabile
Villigen, 31.03.2026 — GEMS è un software open-source che rende calcolabili i processi chimici e termodinamici in sistemi complessi, simulando in pochi secondi processi che in natura richiederebbero migliaia di anni. Un nuovo consorzio nazionale assicura che il software sviluppato al PSI sia ulteriormente sviluppato e finanziato congiuntamente a lungo termine.
Che cosa hanno in comune un meteorite marziano degli albori del nostro sistema solare, il cemento climatico e il litio delle acque profonde? Tutti questi sistemi possono essere modellati utilizzando lo stesso software: GEMS.
GEMS, acronimo di Gibbs Energy Minimisation Software, è stato avviato al PSI oltre trent'anni fa e da allora è stato costantemente sviluppato. Oggi l'applicazione open source ha utenti in Svizzera e in tutto il mondo; migliaia di pubblicazioni scientifiche di diverse discipline si basano sui suoi calcoli e sui database associati. Un consorzio nazionale di recente costituzione, composto da ricercatori del PSI, del Politecnico di Zurigo, dell'Empa, dell'Università di Berna, dell'EPFL e del Nagra, assicura che il software continui a essere sviluppato, mantenuto e finanziato congiuntamente anche in futuro.
Meteorite marziana, cemento verde e litio dalle acque profonde
Ciò che a prima vista non sembra avere molto in comune, alla fine segue la stessa legge chimica: l'energia di Gibbs. Una grandezza un po' astratta ma fondamentale della termodinamica. George-Dan Miron del Centro per le tecnologie e le scienze nucleari del PSI è l'iniziatore del consorzio e uno sviluppatore di lunga data di GEMS. Spiega questa grandezza termodinamica con un'immagine tratta dalla vita quotidiana: «L'energia di Gibbs si comporta come un sistema di prezzi. Tutto in natura segue questo sistema: gas, liquidi, solidi. Non appena interagiscono tra loro, sono esposti a fluttuazioni di prezzo. Lo stato con il prezzo più basso è il più stabile, ed è proprio questo che vogliamo calcolare con GEMS».
L'obiettivo è quindi capire come gli elementi chimici si distribuiscono nelle diverse fasi quando un sistema raggiunge l'equilibrio termodinamico - lo stato con il prezzo più basso - e quali parametri determinano questo stato finale. Ad esempio, i ricercatori dell'Università di Berna hanno scoperto in un meteorite marziano un minerale precedentemente sconosciuto in natura. I ricercatori hanno utilizzato GEMS per ricostruire le condizioni in cui questa fase esotica si è formata nell'ambiente caldo e ricco di gas del nostro primo sistema solare. Come una macchina del tempo virtuale, il software permette di ricostruire le condizioni di temperatura e pressione che hanno portato alla formazione di questo minerale molto tempo fa.
GEMS è anche fondamentale per lo sviluppo di nuove formulazioni di cemento a basso contenuto di CO₂, come quelle oggetto di ricerca presso il PSI, l'Empa e l'EPFL. Il software simula quali fasi minerali si formano quando il cemento si solidifica, quanto sono stabili e come il materiale interagisce con l'ambiente circostante. Ciò consente ai ricercatori di analizzare virtualmente centinaia di formulazioni prima di mescolarle in laboratorio: un enorme vantaggio in un settore che è responsabile di circa l'otto per cento delle emissioni globali di CO₂ e in cui ogni formulazione più rispettosa del clima è importante.
Un altro esempio di applicazione è il litio: il metallo leggero è presente in quasi tutte le batterie moderne, ma viene estratto principalmente in Australia e in America Latina, talvolta con metodi che sono stati criticati per l'elevato consumo di acqua. In Svizzera e in Europa si sta conducendo un'intensa attività di ricerca per estrarre il litio e gli elementi rari dall'acqua geotermica calda e profonda. Con GEMS, i ricercatori dell'Università di Berna stanno progettando un nuovo studio per calcolare come cambia la composizione chimica di questi fluidi in diverse condizioni e quali processi potrebbero consentire l'estrazione mirata del litio.
GEMS è unico
Questi tre esempi dimostrano quanto GEMS sia ampiamente utilizzato oggi, dalla planetologia e dalla ricerca sul cemento alla geochimica. Al PSI, tuttavia, il software è stato plasmato da un problema molto più specifico: la questione di come i materiali di un deposito geologico profondo cambiano nel corso di decine di migliaia o centinaia di migliaia di anni. Per il progetto del deposito svizzero, i ricercatori dovevano capire come l'acciaio, il cemento, l'acqua e le rocce reagiscono chimicamente tra loro e come queste interazioni si sviluppano in enormi periodi di tempo geologico.
Quando, alla fine degli anni '80, i potenti personal computer hanno fatto il loro ingresso nella ricerca, il geochimico Dmitrii Kulik del PSI ha iniziato a sviluppare sistematicamente un primo prototipo di strumento di modellazione geochimica. Egli strutturò il lavoro iniziale, affinò il concetto di base e, insieme ai colleghi, sviluppò GEMS in un potente software di modellazione termodinamica che crebbe rapidamente e divenne sempre più potente.
Contemporaneamente, i ricercatori del PSI - in stretta collaborazione con la Cooperativa Nazionale per lo Smaltimento dei Rifiuti Radioattivi (Nagra) - hanno condotto numerosi esperimenti, anche nel laboratorio a caldo. Qui hanno studiato come i radionuclidi reagiscono a contatto con rocce naturali come l'argilla opalina e il cemento o altri materiali, come si muovono attraverso di essi e quali nuove fasi minerali si formano nel processo. Ancora oggi, ogni esperimento fornisce dati di input per la modellazione basata su GEMS e consente di simulare con precisione i processi in un'ampia gamma di condizioni rilevanti per i depositi geologici profondi.
Nel corso degli anni, è cresciuto un ampio tesoro di dati sperimentali, database termodinamici completi e una moltitudine di modelli, che rendono GEMS unico al mondo.
Il Consorzio per il futuro del GEMS
Tuttavia, la storia di successo di GEMS è anche foriera di sfide: Con ogni nuova area di applicazione, ogni studio pubblicato e ogni modello aggiuntivo, aumenta lo sforzo necessario per mantenere, modernizzare e aggiornare il software.
Con il nuovo consorzio nazionale, le istituzioni partecipanti hanno creato uno strumento per condividere questa responsabilità e per occuparsi congiuntamente dell'ulteriore sviluppo, della manutenzione e del finanziamento del software. Con il pensionamento di Dmitrii Kulik, George-Dan Miron ha assunto la gestione scientifica del progetto: «GEMS deve rimanere un software open source all'avanguardia che supporta i ricercatori di tutto il mondo e al di là dei confini disciplinari - e che viene ulteriormente sviluppato in modo mirato».
Testo: Instituto Paul Scherrer PSI/Benjamin A. Senn
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Dr. George-Dan Miron
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