Робот-химик с искусственным интеллектом изготовил «марсианский» катализатор для производства кислорода

Китайский химический робот, оснащённый искусственным интеллектом, смог самостоятельно разработать, изготовить и протестировать катализатор из подручных «марсианских» материалов для изготовления на Марсе кислорода из воды.

Химически получение кислорода из воды — достаточно простой процесс, для него достаточно «всего лишь» расщепить молекулу воды H₂O, то есть провести реакцию восстановления. Но для его реализации на практике необходимы дополнительные компоненты, в том числе вещество-катализатор, который на порядки увеличивает скорость химической реакции. В химической промышленности для получения некоторого объёма продукции требуется огромное количество катализатора, сопоставимое с тем, сколько полезного продукта мы желаем произвести, то есть на несколько тонн продукции смело можно считать, что количество катализатора будет также исчисляться тоннами. И если бы мы замыслили производить некоторые полезные вещества на Марсе (тот же кислород в реакции восстановления), соответствующую массу катализатора пришлось бы или доставлять с Земли, или производить на месте из марсианской породы. Китайский робот-химик, оснащённый искусственным интеллектом, научился анализировать доступный подножный материал и при помощи алгоритмов машинного обучения подбирать оптимальный состав «марсианского» катализатора для выделения кислорода из марсианской воды.

Химический робот не просто подбирает катализатор. Он делает серию шагов технологического процесса, включая разработку формулы катализатора, рудоподготовку, собственно синтез катализатора и его испытания после изготовления. По оценкам авторов, такой автоматизированный процесс, если бы его выполняли химики в обычном режиме, занял бы 2000 человеко-лет работы включая «просеивание» миллионов вариантов химического состава катализатора для подбора оптимального.

Исследователи, таким образом, разработали робо-химика, который способен выполнять все эти операции самостоятельно. Он основан на работе более простых систем машинного обучения, чьим заданием было исследование корпуса специализированной литературы по химическому синтезу и оценка эффективности различных химических компонентов для тех или иных задач. После построения модели в неё необходимо было ввести данные для машинного обучения. Для этого рассмотрели пять видов горных пород, распространённых на Марсе (ориентировались на состав найденных метеоритов заведомо марсианского происхождения). Используя эти элементы, всего возможно составить 3 764 376 возможных комбинаций элементов этих пород. Такая оценка получается из комбинаторики — столько теоретических формул можно составить из шести металлов, варьируя их состав с разумным шагом 1%. Поэтому первым заданием химического робота было выбрать один состав, который мог бы стать катализатором для реакции получения кислорода. Набор данных обучения включал 30 000 теоретических и 243 экспериментальных наборов. На выходе получился полиметаллический материал, состоящий из марганца, железа, никеля, магния, алюминия и кальция, и над его теоретической разработкой ИИ «думал» шесть недель.

Затем образец катализатора нужно было изготовить для испытаний. Для этого «ИИ-химик» оснащён робо-рукой, которая берёт образцы метеоритов, растворённые в хлорной кислоте и пытается синтезировать требуемый катализатор. Технологическая карта этого действа включает достаточно экстремальные процессы, например, центрифугирование образцов в течение 5 минут с перегрузкой 7500 g для выделения необходимых материалов и их сушки. Всё это удалось проделать без вмешательства человека.

После синтезирования нескольких вариантов вещества исследователи провели его испытания, попробовав провести искомый процесс восстановления. Для полноты эксперимента это проводилось при марсианских внешних условиях с температурой -37 ºC.

Итак, ИИ произвёл и испытал катализатор для Марса с использованием местных материалов, сэкономив 2000 лет труда в классической лаборатории XX века (до эры искусственного интеллекта). Собственно, он сделал то, что требуется от ИИ — нахождение паттернов в доступных данных и экстраполирование их на новые условия, то есть цикл «обучение-модель-предсказание». Осталось подождать, когда вот это всё удастся доставить до Марса. А на Марсе даже успешно изготовленный таким образом катализатор нужно будет интегрировать в технологический цикл для реакции восстановления кислорода из марсианской воды. Может статься, что технологическая сложность такой цепочки окажется такой, что проще станет всё же доставлять катализатор с Земли, а не проводить земляные, а затем инженерно-конструкторские работы в марсианском реголите.