機器化學(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想。實現(xiàn)這一夢想，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)（以下簡稱“中國科大”）羅毅教授、江俊教授和尚偉偉副教授團隊與中國深空探測實驗室研究員張哲等合作，通過前期研制的機器化學(xué)家“小來”平臺，利用火星隕石制備出實用的產(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產(chǎn)氧催化劑。此次研究不僅驗證了人工智能技術(shù)創(chuàng)制新材料的超強能力，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》。

“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。

人工智能機器人為此提供了一個完美的解決方案。

2022年9月，中國科大機器化學(xué)家“小來”系統(tǒng)接到一項特殊任務(wù)——用火星隕石中的一些成分制備催化劑。

“實驗中的隕石都真正來自火星?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅袊拼蟾毖芯繂T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，對火星隕石進行了詳細的礦物分析，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、火星空間站上實現(xiàn)星際資源的原位綜合利用提供了獨特方案?！?/p>

《自然·合成》的一位審稿專家高度評價此項工作，稱論文報道了“通過機器化學(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)家的理論與實踐能力，首先利用它的“計算大腦”自主創(chuàng)建了一批理論構(gòu)象，然后開始做大規(guī)模的理論計算。同時，“小來”通過其精準(zhǔn)的自動化操作能力，快速高效地執(zhí)行實驗任務(wù)。

“理論模擬可以判斷大致的優(yōu)化方向，機器實驗則能提供精準(zhǔn)的實測數(shù)據(jù)。將理論大數(shù)據(jù)與實驗小數(shù)據(jù)對齊，就建立起了一個理實交融的機器學(xué)習(xí)模型。”朱青說，該智能模型能更好描繪整個高維空間中的化學(xué)反應(yīng)走勢，這是依靠人類傳統(tǒng)經(jīng)驗無法實現(xiàn)的。

也就是說，這個智能模型有“預(yù)測全局”的能力，可在數(shù)百萬個配方中“推薦”出性能最好的配方。根據(jù)此配方，“小來”再進行實驗驗證。

最終，經(jīng)過6周243次實驗，“小來”成功利用5種火星隕石制備出一款實用的產(chǎn)氧催化劑。“如果人類化學(xué)家通過‘試錯’的模式進行研究，這個工作可能需要2000年才能完成?！敝烨嗾f。

“這種理實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別出最佳組合。”江俊表示。

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送過去。一是運輸成本太高，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?！苯≌f，因此，最好的方法就是“就地取材”。例如，機器人在無人監(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。

隨著人類深空探測活動日益活躍，傳統(tǒng)運載方式難以支撐未來空間任務(wù)的發(fā)展，需要不斷減少對地球物質(zhì)能源補給的依賴，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、江俊等人與其他團隊協(xié)作，發(fā)現(xiàn)“嫦娥五號”取回的月壤可以進行原位資源利用，展示了機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，研究團隊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)動電解水反應(yīng)，15個小時后室內(nèi)的氧氣濃度即可達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個產(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，我們計劃為機器人配備更多的傳感器和光譜設(shè)備，使其擁有探測感知和預(yù)測化學(xué)物質(zhì)微觀演化的能力，以更好適應(yīng)不同的化學(xué)場景?！苯≌f。此外，他們還計劃建立一個有數(shù)百個機器人和數(shù)千個工作站的大型機器化學(xué)家實驗室。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

責(zé)任編輯：魏敏