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機(jī)器化學(xué)家探索星際資源的原位利用示意圖。中國科大供圖
火星移民是人類的夢(mèng)想。實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想，首先要解決火星大氣中氧氣缺乏的難題。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“中國科大”）羅毅教授、江俊教授和尚偉偉副教授團(tuán)隊(duì)與中國深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室研究員張哲等合作，通過前期研制的機(jī)器化學(xué)家“小來”平臺(tái)，利用火星隕石制備出實(shí)用的產(chǎn)氧催化劑，“生產(chǎn)”出氧氣。該研究成果2023年發(fā)表于《自然·合成》。
“這是使用火星原料制備出的第一個(gè)產(chǎn)氧催化劑。此次研究不僅驗(yàn)證了人工智能技術(shù)創(chuàng)制新材料的超強(qiáng)能力，還向火星移民、星際探索等邁出了非常重要的一步?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡吡_毅告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
“就地取材”制出催化劑
水、氧氣是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，火星上存在水資源，但沒有氧氣。
在地球上，通過電催化析氧反應(yīng)，以水為原料，科研人員成功制備出了氧氣。那么，在火星上是否也可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)？由于目前人類無法在火星環(huán)境下長期生存，因此無法“就地取材”在火星上制備產(chǎn)氧催化劑。
人工智能機(jī)器人為此提供了一個(gè)完美的解決方案。
2022年9月，中國科大機(jī)器化學(xué)家“小來”系統(tǒng)接到一項(xiàng)特殊任務(wù)——用火星隕石中的一些成分制備催化劑。
“實(shí)驗(yàn)中的隕石都真正來自火星。”論文第一作者、中國科大副研究員朱青介紹，火星隕石里包含鐵、錳、鎳、鈣、鎂、鋁等元素，這些金屬元素都是合成催化劑的必要成分。
“小來”利用自身裝載的激光誘導(dǎo)擊穿光譜設(shè)備，對(duì)火星隕石進(jìn)行了詳細(xì)的礦物分析，發(fā)現(xiàn)其中有很多種金屬適合作為產(chǎn)氧催化劑的有效成分。接下來，它通過強(qiáng)酸浸漬將礦物全部溶解，提煉出里面的金屬組分；然后，加堿沉淀得到一個(gè)含多金屬的氫氧化物；最后，以氫氧化物作為陽極催化劑，參與火星鹵水的電解反應(yīng)，從而制備出氧氣。
論文共同通訊作者江俊表示：“該工作成功展示了在地外星系上因地制宜創(chuàng)制化學(xué)品的智能化全流程，為未來地外文明探索提供了新的技術(shù)手段，為我國在月球、火星空間站上實(shí)現(xiàn)星際資源的原位綜合利用提供了獨(dú)特方案。”
《自然·合成》的一位審稿專家高度評(píng)價(jià)此項(xiàng)工作，稱論文報(bào)道了“通過機(jī)器化學(xué)家系統(tǒng)在火星上合成產(chǎn)氧催化劑的令人興奮的方法”。
2000年時(shí)間縮短至6周
火星隕石中的金屬成分組合形成催化劑，大概有300多萬種配方。如何在如此大的基數(shù)中快速找到最優(yōu)配比？
“小來”展現(xiàn)出了超越人類科學(xué)家的理論與實(shí)踐能力，首先利用它的“計(jì)算大腦”自主創(chuàng)建了一批理論構(gòu)象，然后開始做大規(guī)模的理論計(jì)算。同時(shí)，“小來”通過其精準(zhǔn)的自動(dòng)化操作能力，快速高效地執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
“理論模擬可以判斷大致的優(yōu)化方向，機(jī)器實(shí)驗(yàn)則能提供精準(zhǔn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。將理論大數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)小數(shù)據(jù)對(duì)齊，就建立起了一個(gè)理實(shí)交融的機(jī)器學(xué)習(xí)模型?！敝烨嗾f，該智能模型能更好描繪整個(gè)高維空間中的化學(xué)反應(yīng)走勢(shì)，這是依靠人類傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的。
也就是說，這個(gè)智能模型有“預(yù)測(cè)全局”的能力，可在數(shù)百萬個(gè)配方中“推薦”出性能最好的配方。根據(jù)此配方，“小來”再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
最終，經(jīng)過6周243次實(shí)驗(yàn)，“小來”成功利用5種火星隕石制備出一款實(shí)用的產(chǎn)氧催化劑。“如果人類化學(xué)家通過‘試錯(cuò)’的模式進(jìn)行研究，這個(gè)工作可能需要2000年才能完成?！敝烨嗾f。
“這種理實(shí)交融的研究范式極大加快了新材料發(fā)現(xiàn)的過程，能夠從數(shù)百萬種可能的配方中迅速識(shí)別出最佳組合?！苯”硎?。
原位綜合利用星際資源
那么，用火星隕石制備的催化劑與地球上的催化劑有什么不一樣？為何不直接將催化劑從地球帶到火星上？
“這里強(qiáng)調(diào)的是一種原位資源利用策略。在未來的火星移民、星際探索中，不太可能一直將地球上的物資運(yùn)送過去。一是運(yùn)輸成本太高，二是地外環(huán)境下的化學(xué)反應(yīng)情況跟地球上不一樣，并且催化劑材料自身也有使用壽命。”江俊說，因此，最好的方法就是“就地取材”。例如，機(jī)器人在無人監(jiān)管的情況下，可利用未知的物質(zhì)自主發(fā)現(xiàn)并且創(chuàng)造出有用的化學(xué)品。
隨著人類深空探測(cè)活動(dòng)日益活躍，傳統(tǒng)運(yùn)載方式難以支撐未來空間任務(wù)的發(fā)展，需要不斷減少對(duì)地球物質(zhì)能源補(bǔ)給的依賴，原位資源利用技術(shù)就成為了重要手段。
江俊介紹，地外原位資源利用指的是在星際探索的過程中，因地制宜采集當(dāng)?shù)氐奈镔|(zhì)資源進(jìn)行物理化學(xué)方面的改造，使其變成有用的化學(xué)品、材料、設(shè)施。
此前，羅毅、江俊等人與其他團(tuán)隊(duì)協(xié)作，發(fā)現(xiàn)“嫦娥五號(hào)”取回的月壤可以進(jìn)行原位資源利用，展示了機(jī)器人從制備催化劑到生產(chǎn)地外燃料和氧氣無人化操作的全過程。
在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)最大程度模擬了火星環(huán)境下的催化效果。在300立方米的空間站頂部鋪滿火星隕石催化劑，利用太陽光發(fā)電驅(qū)動(dòng)電解水反應(yīng)，15個(gè)小時(shí)后室內(nèi)的氧氣濃度即可達(dá)到人類生存所需的指標(biāo)。
“未來，人類可以在火星上建立一個(gè)個(gè)產(chǎn)氧小工廠，在其屋頂鋪滿‘小來’制備的產(chǎn)氧催化劑，經(jīng)過反應(yīng)，就能得到氧氣?！苯≌f。
“下一步，我們計(jì)劃為機(jī)器人配備更多的傳感器和光譜設(shè)備，使其擁有探測(cè)感知和預(yù)測(cè)化學(xué)物質(zhì)微觀演化的能力，以更好適應(yīng)不同的化學(xué)場(chǎng)景?！苯≌f。此外，他們還計(jì)劃建立一個(gè)有數(shù)百個(gè)機(jī)器人和數(shù)千個(gè)工作站的大型機(jī)器化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室。這樣一來，不僅能覆蓋更廣泛的科學(xué)研究領(lǐng)域，讓更多科研人員參與和智能化學(xué)相關(guān)的研究，還能產(chǎn)生高質(zhì)量、高通量的科學(xué)數(shù)據(jù)，助力建立跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的通用科學(xué)智能模型。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00424-1
來源：中國科學(xué)報(bào)
責(zé)任編輯：魏敏
