Die Einwanderung zum Mars und das Leben auf dem Mars werden seit langem in der Science-Fiction dargestellt. Doch bevor dieser Traum Wirklichkeit wird, müssen die Menschen eine Hürde überwinden: den Mangel an Chemikalien wie Sauerstoff, die für das langfristige Überleben auf dem Planeten unerlässlich sind. Die jüngste Entdeckung der Wasseraktivität auf dem Mars ist jedoch vielversprechend.
Wissenschaftler erforschen derzeit die Möglichkeit der Zersetzung von Wasser zur Erzeugung von Sauerstoff durch elektrochemische Wasseroxidation, angetrieben durch Solarenergie, mithilfe von Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Die Herausforderung besteht darin, einen Weg zu finden, diese Katalysatoren vor Ort unter Verwendung von Materialien auf dem Mars zu synthetisieren, anstatt sie kostspielig von der Erde zu transportieren.
Um dieses Problem anzugehen, hat es kürzlich ein Team unter der Leitung von Prof. Luo Yi, Prof. Jiang Jun und Prof. Shang Weiwei von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) möglich gemacht mithilfe ihres robotischen Chemikers mit künstlicher Intelligenz (KI) automatisch OER-Katalysatoren aus Marsmeteoriten zu synthetisieren und zu optimieren.
Ihre Forschung war veröffentlicht In Natursynthese.
Ein Roboter-KI-Chemist@USTC stellt mithilfe von Marsmeteoriten nützliche Katalysatoren für die Sauerstofferzeugung her. Bildnachweis: AI-Chemist Group an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas
„Der KI-Chemiker synthetisiert auf innovative Weise[d] „OER-Katalysator unter Verwendung von Marsmaterial basierend auf interdisziplinärer Zusammenarbeit“, sagte Prof. Luo Yi, leitender Wissenschaftler des Teams.
In jedem Versuchszyklus analysiert der KI-Chemiker zunächst die Elementzusammensetzung der Marserze mithilfe der laserinduzierten Abbauspektroskopie (LIBS) als Augen.
Anschließend führt es eine Reihe von Vorbehandlungen an den Erzen durch, darunter das Wiegen in der Feststoff-Dosier-Arbeitsstation, die Vorbereitung von Ausgangsstofflösungen in der Flüssigkeits-Dosier-Arbeitsstation, die Trennung von der Flüssigkeit in der Zentrifugier-Arbeitsstation und die Erzielung einer Verfestigung in der Trockner-Arbeitsstation.
Die resultierenden Metallhydroxide werden mit Nafion-Klebstoff behandelt, um die Arbeitselektrode für den OER-Test am elektrochemischen Arbeitsplatz vorzubereiten. Die Testdaten werden in Echtzeit an das rechnerische „Gehirn“ des KI-Chemikers zur Verarbeitung durch maschinelles Lernen (ML) gesendet.
Das „Gehirn“ des KI-Chemikers nutzt Quantenchemie- und Molekulardynamiksimulationen für 30.000 hochentropische Hydroxide mit unterschiedlichen Elementverhältnissen und berechnet deren katalytische OER-Aktivitäten mithilfe der Dichtefunktionaltheorie. Die Simulationsdaten werden verwendet, um ein neuronales Netzwerkmodell zu trainieren, um die Aktivitäten der Katalysatoren bei unterschiedlichen Elementzusammensetzungen schnell vorherzusagen.
Schließlich sagt das „Gehirn“ durch Bayes’sche Optimierung die Kombination verfügbarer Marserze voraus, die für die Synthese des optimalen OER-Katalysators erforderlich ist.
Bisher hat der KI-Chemiker mithilfe von fünf Arten von Marsmeteoriten unter unbemannten Bedingungen einen hervorragenden Katalysator geschaffen. Dieser Katalysator kann über 550.000 Sekunden lang bei einer Stromdichte von 10 mA cm-2 und einer Überspannung von 445,1 mV stabil arbeiten. Ein weiterer Test bei -37 °C, der Temperatur auf dem Mars, bestätigte, dass der Katalysator kontinuierlich Sauerstoff produzieren kann, ohne dass es zu einer erkennbaren Verschlechterung kommt.
Innerhalb von zwei Monaten hat der KI-Chemiker die komplexe Optimierung von Katalysatoren abgeschlossen, die für einen menschlichen Chemiker 2.000 Jahre dauern würde.
Das Team arbeitet daran, den KI-Chemiker in eine allgemeine Experimentierplattform für verschiedene chemische Synthesen ohne menschliches Eingreifen zu verwandeln. Der Rezensent des Papiers bemerkte: „Diese Art von Forschung ist von großem Interesse und wird in der Synthese und Entdeckung organischer/anorganischer Materialien rasant weiterentwickelt.“
„In Zukunft können Menschen mit Hilfe eines KI-Chemikers eine Sauerstofffabrik auf dem Mars errichten“, sagte Jiang. Nur 15 Stunden Sonneneinstrahlung sind erforderlich, um eine ausreichende Sauerstoffkonzentration zu erzeugen, die für das Überleben des Menschen erforderlich ist. „Diese bahnbrechende Technologie bringt uns unserem Traum, auf dem Mars zu leben, einen Schritt näher“, sagte er.
Mehr Informationen:
Jun Jiang, Automatisierte Synthese sauerstoffproduzierender Katalysatoren aus Marsmeteoriten durch einen Roboter-KI-Chemiker, Natursynthese (2023). DOI: 10.1038/s44160-023-00424-1. www.nature.com/articles/s44160-023-00424-1