Niedawno osiągnięty przełom w technologii produkcji tlenu na Marsie z marsjańskich meteorytów stanowi znaczący krok w kierunku realizacji marzenia o kolonizacji Marsa. Technologia ta może pozwolić na zbudowanie fabryki tlenu na Marsie, dodając realności pomysłowi przyszłej ludzkiej obecności na tej planecie.
Imigracja na Marsa i życie na Marsie to częste tematy twórczości science fiction. Zanim te marzenia staną się rzeczywistością, ludzkość stoi przed poważnymi wyzwaniami, takimi jak niedobór kluczowych zasobów, a w szczególności tlenu, który jest potrzebny do długoterminowego przetrwania na Czerwonej Planecie. Jednak ostatnie odkrycia aktywności wody na Marsie dają nową nadzieję na pokonanie tych przeszkód.
Naukowcy badają obecnie możliwość rozkładu wody na składowe w celu wytworzenia tlenu poprzez elektrochemiczne utlenianie wody przy pomocy katalizatorów reakcji wydzielania tlenu (OER). Źródłem energii w tym procesie ma być prąd wytwarzany z energii słonecznej. Wyzwanie polega na znalezieniu sposobu na syntezę tych katalizatorów in situ przy użyciu materiałów znajdujących się na Marsie, zamiast transportować je z Ziemi, co jest kosztowne.
Postępy w sztucznej inteligencji i chemii marsjańskiej
Zespół kierowany przez prof. Luo Yi, prof. Jiang Jun i prof. Shang Weiwei z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (USTC) Chińskiej Akademii Nauk (CAS) pokazał niedawno, że jest przeprowadzanie automatycznej syntezy i optymalizacja katalizatorów OER z meteorytów marsjańskich jest możliwa. Dokonano tego przy pomocy chemika-robota ze sztuczną inteligencją (AI). Wyniki ich badań, prowadzonych we współpracy z Deep Space Exploration Laboratory, opublikowano niedawno w czasopiśmie Nature Synthesis.
W każdym cyklu eksperymentalnym chemik AI najpierw analizuje skład pierwiastkowy marsjańskich rud, wykorzystując w tym celu metodę laserowej spektroskopii wzbudzeniowej (Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS). Metoda LIBS polega na pobudzeniu badanego materiału intensywnym impulsem laserowym (ale o małej energii) i zaobserwowaniu widma powstałej na skutek tego plazmy. Na podstawie takiego pomiaru można uzyskać informację o składzie chemicznym próbki, nie jest to jednak trywialne, ponieważ widma różnych pierwiastków składają się czasami z wielu linii położanych blisko siebie i przez to trudnych do jednoznacznej identyfikacji.
Następnie chemik AI przeprowadza szereg zabiegów wstępnej obróbki rud obejmujących ważenie na stanowisku dozowania substancji stałych, przygotowanie roztworów wsadowych na stanowisku dozowania cieczy, oddzielanie od cieczy na stanowisku wirowania oraz zestalanie na stanowisku suszarki.
Robotyczny chemik AI tworzy przydatny katalizator generowania tlenu z marsjańskich meteorytów.
Powstałe wodorotlenki metali poddaje się działaniu spoiwa nafionowego w celu przygotowania elektrody roboczej do badania OER na elektrochemicznym stanowisku pracy. Dane testowe są wysyłane do obliczeniowego „mózgu” chemika, który dokonuje ich analizy w czasie rzeczywistym, wykorzystując w tym celu metody uczenia maszynowego (ML).
„Mózg” chemika AI wykorzystuje symulacje chemii kwantowej i dynamiki molekularnej dla 30 000 wodorotlenków o wysokiej entropii o różnych stosunkach pierwiastkowych i oblicza ich aktywność katalityczną OER za pomocą teorii funkcjonału gęstości. Dane symulacyjne służą do trenowania modelu sieci neuronowej w celu szybkiego przewidywania aktywności katalizatorów przy różnych składach pierwiastkowych.
Wreszcie, dzięki zastosowaniu optymalizacji bayesowskiej, która pozwala optymalizować procesy wymagające dużych mocy obliczeniowych, „mózg” przewiduje kombinację dostępnych rud marsjańskich potrzebnych do syntezy optymalnego katalizatora OER.
Osiągnięcie przełomu w produkcji tlenu
Jak dotąd chemik AI stworzył doskonały katalizator, wykorzystując pięć rodzajów marsjańskich meteorytów, bez ingerencji ludzkiej. Katalizator ten może pracować nieprzerwanie przez ponad 550 000 sekund przy gęstości prądu 10 mA cm-2 i nadpotencjale 445,1 mV. (Gęstość prądu elektrycznego definiowana jest jako natężenie prądu na jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika. Nadpotencjał lub nadnapięcie to pojęcie elektrochemiczne, które wprowadził w roku 1899 Caspari jako miarę polaryzacji elektrody. Nadpotencjał definiowany jest jako różnica między potencjałem elektrody spolaryzowanej przepływem prądu elektrycznego E a jej potencjałem równowagowym Er, nazywanym też potencjałem spoczynkowym.)
Test przeprowadzony w temperaturze -37°C, czyli temperaturze panującej na Marsie, potwierdził, że katalizator może stale wytwarzać tlen bez widocznej degradacji. W ciągu dwóch miesięcy chemik AI zakończył złożoną optymalizację katalizatorów, która człowiekowi zajęłaby 2000 lat.
Obecnie zespół pracuje nad przekształceniem chemika AI w ogólną platformę eksperymentalną do różnych syntez chemicznych wykonywanych bez interwencji człowieka. Ten typ badań cieszy się dużym zainteresowaniem i znajduje się w fazie szybkiego rozwoju w zakresie syntezy i odkryć materiałów organicznych/nieorganicznych.
Jak mówi prof. Jiang Jun, jeden z kierowników projektu, w przyszłości ludzie będą mogli zbudować fabrykę tlenu na Marsie przy pomocy chemika AI. Aby wytworzyć wystarczające stężenie tlenu niezbędne do przeżycia człowieka, potrzeba tylko 15 godzin napromieniowania słonecznego. Ta przełomowa technologia przybliża nas o krok do realizacji naszego marzenia o życiu na Marsie.
Więcej informacji:
- Publikacja pt. „Zautomatyzowana synteza katalizatorów wytwarzających tlen z meteorytów marsjańskich przez robota-chemika AI”: “Automated synthesis of oxygen-producing catalysts from Martian meteorites by a robotic AI chemist”, Qing Zhu i in. Nature Synthesis (2023). DOI: 10.1038/s44160-023-00424-1
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Zdjęcie: Nowy robot ze sztuczną inteligencją zmienia sposób, w jaki uprawia się chemię w Chinach. Zdjęcie: South China Morning Post
