さあ人類2000年！この「化学者」は火星の条件下で酸素を生産できる

火星における過去の生命の痕跡を探し、生存に適した居住可能な地域を火星に建設することは、人類の長年の目標です。

火星で酸素を生産することは、人類が火星に移住する前に解決しなければならない最初の問題の一つです。

NASAはこれまでにも、火星で局所的に酸素を生産できることを実証しており、探査車パーサヴィアランスの酸素生産装置は16回の酸素生産実験で合計122グラムの酸素を生産した（子犬が10時間呼吸するのに必要な酸素量に相当）。しかし、火星での大規模な酸素生産を実現するにはまだ多くの困難が残っている。

今日、人工知能 (AI) がこの課題の解決に役立つかもしれません。

中国科学技術大学が率いる研究チームは、人間の介入なしに火星隕石から触媒を作成し、その酸素生成性能をテストし、最適な触媒が見つかるまでそのプロセスを繰り返すことができるロボットAI化学者を開発した。

さらに、研究者らは、この触媒が火星の環境を模擬した条件下でも機能できることを実証した。

実際、与えられた元素リストから触媒を設計するには、広大な化学空間を探索する必要があり、これは従来の「試行錯誤」モデルにとっては困難な作業です。例えば、5種類の火星産鉱石を原料として使用する場合、1%間隔の整数パーセントの組み合わせに基づくレシピは3,764,376通りあり、このプロセスを人間の労働で完了するには2,000年かかります。

「ロボットAI化学者による火星隕石からの酸素生成触媒の自動合成」と題された関連研究論文が、ネイチャーの子会社であるネイチャー・シンセシスに掲載されました。

論文の著者らは、AI Chemist は火星での触媒の現地合成に有望な技術であり、将来の火星有人ミッションに影響を与える可能性のある酸素生成の概念実証を提供すると述べている。

6週間以内により良い処方を見つける

ロケットの推進剤や生命維持システムは大量の酸素を消費するため、火星での人類の活動では酸素供給が最優先事項となります。

水の活動に関する最近の証拠により、酸素発生反応 (OER) 触媒を使用した太陽光駆動の電気化学的水酸化によって火星で大規模な酸素生産が行われる可能性が浮上しています。

しかし、火星現地の原材料から実用的な OER 触媒を合成するには、2 つの大きな技術的課題を克服する必要があります。まず、合成システムは無人で自律誘導される必要があります。天文距離が広大であるため、人間によるリアルタイムの遠隔誘導が不可能だからです。第二に、AIアルゴリズムを通じて最適な触媒配合を効率的に特定するための科学的知能を備える必要があります。

そして、AI ロボットは、両方の課題に対処できる唯一の実行可能なテクノロジーであると思われます。これらのロボット システムには、化学知識を獲得し、予測的な物理モデルを形成するためのインテリジェントなサブシステムが必要です。

本研究で開発されたAI化学者は自動かつ自律的な合成を実現できる。移動ロボットと14台のタスク固有の化学ワークステーションを使用して、化学合成、構造特性評価、性能テストの全プロセスを実行するだけでなく、機械学習（ML）アルゴリズムと理論モデルを組み合わせた強力なコンピューティングモジュールを使用して、ロボットによって取得された実験データと第一原理シミュレーションデータを分析して、化学合成タスクに最適な処方を設計します。

火星での AI 化学者の作業を簡素化するために、この研究では、OER 電極触媒のオンサイト合成のための 2 層ワークフローを提案しました。外側の層には、ロボットとさまざまな「インテリジェント」化学ワークステーションによって実行される 12 段階の自動化された実験とデータ管理が含まれます。内層には、インテリジェントコンピューティングの「頭脳」によって実行される 9 つの連続したデジタル操作が含まれます。

図 | AI 化学者が火星の現地で OER 電気触媒を設計および製造するための包括的なシステムのワークフロー。モバイル ロボット、コンピューティング「頭脳」、クラウド サーバー、および 14 のタスク固有のワークステーションで構成されています。

論文によれば、AI化学者は、従来の試行錯誤の実験パラダイムと比較して、高エントロピー電極触媒の最適な合成式の発見を5桁加速したという。

さらに、研究者らは AI 化学者を活用したデータ駆動型プロトコルを設計し、3,764,376 通りの組み合わせから選択された 6 つの金属元素の OER 触媒を設計する際に、従来の試行錯誤型プロトコルよりも優れた性能を発揮することが実証されました。

論文によると、AI化学者は6週間以内にMLとベイズ最適化アルゴリズムを使用して、約3万の理論データセットと243の実験データセットから学習し、有望なOER触媒の配合と最も適切な合成条件を提供する予測モデルを構築した。

火星の酸素生産、AIが「触媒」となる可能性

NASAの宇宙探査機パーセベランスに搭載されたMOXIEによる少量の酸素生成に成功したことに加え、ポルトガルのリスボン大学の物理学者バスコ・ゲラ氏とその同僚は、2022年にプラズマ反応器で電子ビームを使用してより多くの酸素を生成できる可能性も提案した。

彼らは火星の圧力と組成に合わせた空気を金属管に注入し、反応室に電子ビームを照射することで、空気の約30パーセントを酸素に変換する。研究では、この装置は1時間あたり約14グラムの酸素を生成でき、28分間の呼吸をサポートするのに十分な量であると推定された。

しかし、これは小規模な生命維持システムを維持したり、小型ロケットに燃料を供給するには十分かもしれませんが、火星への有人ミッションには、より大きく効率的な酸素製造装置が必要になります。

NASAは、4人からなる宇宙飛行士チームが火星で1年間生存するには約1トンの酸素が必要であり、火星の表面から離陸して地球に帰還するには約7トンの酸素が必要であると見積もっている。そのため、将来の酸素製造装置は自動車ほどの大きさで、長期間安定して稼働できるものが必要になるかもしれません。

この研究で提案されたAI化学者は、火星での酸素生産において新たなブレークスルーを達成し、火星での酸素生産に関する新たなアイデアを提供し、おそらく酸素の大規模生産を可能にするだろう。

近年、AIは人類の宇宙探査の可能性を広げ続けています。将来、AIは人類が火星で暮らすためのきっかけになるかもしれません。

参考リンク: https://www.nature.com/articles/s44160-023-00424-1