Людям на Марсе понадобится кислород, а атмосфера Марса довольно анемична, когда дело касается элементов, поддерживающих жизнь. Марсоход НАСА Perseverance успешно извлек кислород из CO2 в атмосфере Марса, но есть и другие способы его получения. Похоже, под поверхностью Марса скрыто огромное количество воды, и кислород в воде только и ждет, чтобы освободиться от своих связей с водородом.
На Земле с этим нет проблем. Просто пропустите электрический ток через воду, и вы получите кислород. Но Марс не откажется от кислорода так легко.
Марсоход НАСА Perseverance извлек кислород из CO2 в атмосфере Марса, что стало еще одним первым достижением этой миссии. Это было захватывающее достижение, поскольку будущим людям, посетившим Марс, он понадобится для дыхания и создания ракетного топлива. Но группа китайских ученых разрабатывает другой подход.
Своими результатами они поделились в статье под названием «Автоматический синтез катализаторов, производящих кислород, из марсианских метеоритов с помощью робота-химика с искусственным интеллектом». Она опубликована в журнале Nature Synthesis, а ведущие авторы — из Ключевой лаборатории точной и интеллектуальной химии Китайского университета науки и технологий, Хэфэй, Китай.
«Поставка кислорода должна быть главным приоритетом для любой человеческой деятельности на Марсе, поскольку ракетное топливо и системы жизнеобеспечения потребляют значительные количества кислорода, который невозможно пополнить из марсианской атмосферы», — пишут авторы. (Учёные НАСА могут не согласиться с этим утверждением.)
Вместо этого китайские исследователи полагают, что солнечную энергию можно использовать для производства кислорода из марсианской воды. Но это не будет простой электролиз из уроков естествознания. Вместо этого они намерены использовать катализаторы.
Простой электролиз сталкивается с барьерами, которые ограничивают его потенциал и производительность. Реакция выделения кислорода является узким местом в электролизе, и ученые иногда называют электролиз «вялым». На Земле ученые знают, какие катализаторы могут преодолеть узкое место. Но условия на Марсе иные, чем на Земле. Ученые не могут просто перенести методы, которые работают на Земле, на Марс. Хитрость заключается в том, чтобы найти подходящие катализаторы, доступные на Марсе. Ученые называют их катализаторами реакции выделения кислорода (OER).
Вот в чем проблема: на Марсе существует более трех миллионов возможных катализаторов. Как ученые смогут реализовать все эти возможности, если задержка связи между Марсом и Землей может достигать 20 минут? Это непрактично.
По мнению исследовательской группы, это еще одна ситуация, когда робототехника и искусственный интеллект могут решить проблему.
«Здесь мы демонстрируем робота-химика искусственного интеллекта для автоматического синтеза и интеллектуальной оптимизации катализаторов реакции выделения кислорода из марсианских метеоритов», — объясняют исследователи. «Весь процесс, включая предварительную обработку марсианской руды, синтез катализатора, характеристику, тестирование и, самое главное, поиск оптимальной формулы катализатора, выполняется без вмешательства человека».
У Китая нет действующего космического корабля на Марсе, который мог бы выполнить часть этой работы. К счастью, природа доставила на Землю образцы Марса в виде метеоритов. Исследователи использовали небольшие количества пяти типов марсианских метеоритов в качестве сырья для своей автоматизированной системы.
Чтобы проиллюстрировать, насколько эффективна эта полностью автоматизированная роботизированная система искусственного интеллекта, исследователи подсчитали, сколько времени потребуется людям для выполнения одних и тех же задач, используя типичные методы «проб и ошибок».
Метод проб и ошибок сложен из-за того, что исследователи называют химическим пространством или материальным пространством. Существует ошеломляющее количество переменных, которые необходимо проверить, и они занимают огромное химическое пространство. «Разработка катализатора из заданного списка элементов требует исследования огромного химического пространства», — объясняют исследователи, — «что ставит сложную задачу с использованием традиционной парадигмы «проб и ошибок».
Если принять в качестве сырья пять марсианских метеоритов, то, по оценкам, существует 3 764 376 потенциальных катализаторов. Это создает для ученых-людей работу на протяжении всей жизни. «Нахождение оптимальной формулы потребует 2000 лет человеческого труда для завершения такого скрининга, при этом каждый полный эксперимент занимает как минимум 5 часов», — пишут исследователи.
В последние годы роботизированная химия добилась серьезных успехов, и, по мнению исследователей, это может быть использовано для использования на Марсе. Они ссылаются на исследования Купера и др. в 2020 году. В рамках этой работы группа исследователей использовала мобильного робота для изучения химической области и поиска улучшенных фотокатализаторов для производства водорода из воды. «Робот работал автономно в течение восьми дней, выполняя 688 экспериментов в экспериментальном пространстве с десятью переменными», — писали Купер и его коллеги в 2020 году. Это 86 экспериментов в день.
Благодаря этому новому исследованию, которое исследователи называют «проверкой концепции», тенденция в области химии роботов и искусственного интеллекта делает еще один шаг.
Все началось с ИИ. «В течение шести недель химик по искусственному интеллекту построил прогнозирующую модель, изучив почти 30 000 наборов теоретических данных и 243 экспериментальных набора данных», — объясняют исследователи. В конце концов система создала исключительный катализатор, состоящий из нескольких металлов. Этот материал катализировал реакцию выделения кислорода — узкое место в электролизе кислорода из воды — в течение 550 000 секунд (около 153 часов). Кроме того, катализатор был эффективен при -37°С, типичной температуре поверхности Марса.
«Наше исследование демонстрирует, что продвинутый химик по искусственному интеллекту может без вмешательства человека синтезировать катализаторы OER на Марсе из местных руд», — утверждают авторы. Это впечатляющее развитие. Примечателен также тот факт, что все это делается на месте.
«Ожидается, что установленный протокол и система, которые являются общими и адаптивными, будут способствовать автоматизированному открытию материалов и синтезу химических веществ для освоения и исследования внеземных планет», — заключают они. Но что дальше?
По мнению Национального космического управления Китая, следующая миссия Китая на Марс может стать попыткой возвращения образца. Этой миссией станет «Тяньвэнь-3», третья в линии «Тяньвэнь», и Китай надеется опередить НАСА/ЕКА, вернув образец на Землю в 2031 году.
Кажется маловероятным, что Китай сможет включить химический эксперимент с роботами/ИИ в миссию по возврату образцов, но кто знает. CNSA амбициозно и стремится соответствовать достижениям НАСА.
Если они смогут, это будет чрезвычайно впечатляющий подвиг и большой шаг вперед в исследовании Марса.
