Nature Synthesis: Иммиграция на Марс становится реальнее

Иммиграция на Марс и жизнь на нем уже давно изображаются в научно-фантастических произведениях. Но прежде чем мечта превратится в реальность, человеку предстоит преодолеть препятствие — отсутствие необходимых химических веществ, таких как кислород, для длительного выживания на планете.

Однако надежда появилась благодаря недавнему открытию активности воды на Марсе.

В настоящее время ученые изучают возможность разложения воды с получением кислорода путем электрохимического окисления воды с использованием солнечной энергии и катализаторов реакции кислородной эволюции (OER). Задача состоит в том, чтобы найти способ синтезировать эти катализаторы in situ, используя материалы на Марсе, а не доставлять их с Земли, что требует больших затрат.

Для решения этой проблемы группа специалистов под руководством профессора Луо И (LUO Yi), профессора Цзянь Цзюня (JIANG Jun) и профессора Шан Вэйвэя (SHANG Weiwei) из Университета науки и техники Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) недавно с помощью роботизированного искусственного интеллекта (ИИ) — химика смогла автоматически синтезировать и оптимизировать катализаторы OER из марсианских метеоритов.

Результаты исследования, проведенного в сотрудничестве с Лабораторией исследования глубокого космоса, опубликованы 13 ноября в журнале Nature Synthesis.

ИИ-химик синтезировал катализатор OER из марсианского материала на основе междисциплинарного сотрудничества, — сказал профессор Луо И (LUO Yi), ведущий научный сотрудник группы.

В каждом экспериментальном цикле химики ИИ сначала анализируют элементный состав марсианских руд с помощью спектроскопии лазерного пробоя (LIBS). Затем он проводит ряд предварительных обработок руд, включая взвешивание на рабочей станции дозирования твердых веществ, приготовление исходных растворов на рабочей станции дозирования жидких веществ, отделение от жидкости на рабочей станции центрифугирования и затвердевание на рабочей станции сушки.

Полученные гидроксиды металлов обрабатываются клеем Nafion для подготовки рабочего электрода к испытаниям ОЭР на электрохимической рабочей станции. Данные о тестировании в режиме реального времени поступают в вычислительный «мозг» ИИ-химика для обработки методом машинного обучения (МОО).

ИИ-химик использует методы квантовой химии и молекулярной динамики для моделирования 30 000 высокоэнтропийных гидроксидов с различным соотношением элементов и рассчитывает их каталитическую активность в ОЭР с помощью теории функционала плотности. Данные моделирования используются для обучения нейросетевой модели быстрого прогнозирования активности катализаторов с различным элементным составом.

Наконец, с помощью байесовской оптимизации «мозг» предсказывает сочетание доступных марсианских руд, необходимых для синтеза оптимального катализатора OER.

К настоящему времени ИИ-химик создал превосходный катализатор, используя пять видов марсианских метеоритов в безлюдных условиях. Этот катализатор может стабильно работать в течение более 550 000 секунд при плотности тока 10 мА см-2 и избыточном потенциале 445,1 мВ. Дальнейшие испытания при температуре -37 °C, соответствующей температуре на Марсе, подтвердили, что катализатор может стабильно вырабатывать кислород без видимой деградации.

За два месяца ИИ-химик завершил сложную оптимизацию катализаторов, на которую у человека ушло бы 2000 лет.

Команда работает над тем, чтобы превратить ИИ-химика в общую экспериментальную платформу для различных химических синтезов без участия человека. Рецензент статьи высоко оценил:

Подобные исследования представляют широкий интерес и быстро развиваются в области синтеза и открытия органических/неорганических материалов.

В будущем люди смогут создать кислородную фабрику на Марсе с помощью искусственного интеллекта химика. Для получения достаточной концентрации кислорода, необходимой для выживания человека, требуется всего 15 часов солнечного облучения. Эта прорывная технология еще на один шаг приближает нас к осуществлению мечты о жизни на Марсе.

13.11.2023