Kunstmatige intelligentie onthult de geheimen van de zuurstofproductie op de Rode Planeet

Een AI-chemicus heeft met succes een katalysator gecreëerd om zuurstof uit Mars-meteorieten te produceren.

Migreren en daar wonen Mars Het zijn vaak thema's in sciencefiction. Voordat deze dromen werkelijkheid worden, wordt de mensheid geconfronteerd met grote uitdagingen, zoals de schaarste aan vitale hulpbronnen zoals zuurstof die nodig is voor het overleven op de lange termijn op de Rode Planeet. Recente ontdekkingen van wateractiviteit op Mars hebben echter nieuwe hoop gewekt om deze obstakels te overwinnen.

Wetenschappers onderzoeken nu de mogelijkheid om water te ontbinden om zuurstof te produceren door middel van door zonne-energie aangedreven elektrochemische wateroxidatie met behulp van zuurstofevolutiereactie (OER)-katalysatoren. De uitdaging is om een ​​manier te vinden om deze katalysatoren ter plaatse te vervaardigen met behulp van materialen die op Mars voorkomen, in plaats van ze vanaf de aarde te transporteren, wat duur is.

Vooruitgang in kunstmatige intelligentie en chemie van Mars

Om dit probleem aan te pakken is een team onder leiding van professor Luo Yi, professor Jiang Jun en professor Shang Weiwei van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) er onlangs in geslaagd dit mogelijk te maken. Het automatisch verzamelen en optimaliseren van OER-katalysatoren van meteorieten op Mars met behulp van geautomatiseerde chemische kunstmatige intelligentie (AI).

Hun onderzoek, in samenwerking met het Deep Space Exploration Laboratory, werd onlangs in het tijdschrift gepubliceerd Synthese van de natuur.

“De op AI gebaseerde scheikundige synthetiseert op innovatieve wijze de OER-katalysator met behulp van Mars-materialen op basis van interdisciplinaire samenwerking”, zegt professor Luo Yi, senior wetenschapper bij het team.

In elke experimentele sessie analyseert de AI-chemicus eerst de elementaire samenstelling van ertsen op Mars met behulp van laser-geïnduceerde spectroscopie (LIBS) als zijn ogen. Vervolgens wordt een reeks voorbehandelingen op de ertsen uitgevoerd, waaronder het wegen in het distributiewerkstation voor vaste stoffen, het bereiden van grondstofoplossingen in het vloeistofafgiftewerkstation, het scheiden van vloeistoffen in het centrifugewerkstation en het stollen in het droogwerkstation.

Een AI-robotchemicus creëert nuttige zuurstofgenererende katalysatoren met behulp van meteorieten van Mars. Bron: AI-Chemist Group van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China

De resulterende metaalhydroxiden worden behandeld met Nafion-lijm om de werkelektrode voor te bereiden op OER-testen in het elektrochemische werkstation. Testgegevens worden in realtime naar het computationele ‘brein’ van de AI-chemicus gestuurd Machinaal leren (ml) Verwerking.

Het ‘brein’ van de AI-chemicus maakt gebruik van kwantumchemie en moleculaire dynamica-simulaties van 30.000 hydroxiden met hoge entropie met verschillende elementaire verhoudingen en berekent hun OER-katalytische activiteiten via dichtheidsfunctionaaltheorie. Simulatiegegevens worden gebruikt om een ​​neuraal netwerkmodel te trainen om snel de activiteiten van stimuli met verschillende elementaire samenstellingen te voorspellen.

Ten slotte voorspelt het ‘brein’ door middel van Bayesiaanse optimalisatie de mix van beschikbare Mars-ertsen die nodig zijn om de optimale OER-katalysator te vervaardigen.

Een doorbraak bereiken in de zuurstofproductie

Tot nu toe heeft de AI-chemicus een uitstekende katalysator gemaakt met behulp van vijf soorten Mars-meteorieten onder onbemande omstandigheden. Deze stimulator kan ruim 550.000 seconden stabiel werken bij een stroomdichtheid van 10 mA cm^-2 En een overmacht van 445,1 mV. Een andere test bij -37°C, de temperatuur op Mars, bevestigde dat de katalysator op stabiele wijze zuurstof kon produceren zonder enige duidelijke afbraak.

Binnen twee maanden voltooide de AI-chemicus een complex katalysatoroptimalisatieproces dat een menselijke scheikundige 2000 jaar zou kosten.

Het team werkt eraan om de op kunstmatige intelligentie gebaseerde scheikundige te transformeren in een algemeen experimenteerplatform voor verschillende chemische samenstellingen zonder menselijke tussenkomst. De recensent van het artikel merkte krachtig op: “Dit soort onderzoek is van wijdverbreid belang en onderhevig aan snelle ontwikkelingen in de synthese en ontdekking van organische/anorganische materialen.”

“In de toekomst zouden mensen met de hulp van een AI-chemicus een zuurstoffabriek op Mars kunnen opzetten,” zei Jiang. Er zijn slechts 15 uur zonnestraling nodig om de voldoende zuurstofconcentratie te produceren die nodig is voor het overleven van de mens. Hij zei: “Deze geavanceerde technologie brengt ons een stap dichter bij het verwezenlijken van onze droom om op Mars te leven.”

Referentie: “Geautomatiseerde synthese van zuurstofproducerende katalysatoren uit Mars-meteorieten door een AI-robotchemicus” door Qing Zhou, Yan Huang, Donglai Zhou, Luyuan Zhao, Lulu Guo, Ruyu Yang, Zexu Sun, Man Lu, Fei Zhang, Hengyu Xiao, Shen Sheng Tang, Shuchun Zhang, Tao Song, Xiang Li, Baochun Zhong, Johnny Zhou, Yihan Zhang, Baicheng Zhang, Jiaqi Cao, Guozhen Zhang, Song Wang, Guilin Yi, Wangjun Zhang, Haitao Zhao, Shuang Cong, Huirong Li, Li – Li Ling, Zhi Zhang, Yue Zhang, Jun Jiang en Yi Lu, 13 november 2023, Synthese van de natuur.
doi: 10.1038/s44160-023-00424-1