{"id":139730,"date":"2024-02-29T07:32:00","date_gmt":"2024-02-29T06:32:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=139730"},"modified":"2024-02-26T16:16:38","modified_gmt":"2024-02-26T15:16:38","slug":"im-roboterlabor-zu-nachhaltigem-treibstoff","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/im-roboterlabor-zu-nachhaltigem-treibstoff\/","title":{"rendered":"Im Roboterlabor zu nachhaltigem Treibstoff"},"content":{"rendered":"\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-large\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1024\" height=\"512\" src=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623-1024x512.jpg\" alt=\"Dieser Roboterarm transferiert Glasfl\u00e4schchen in eine Zentrifuge. Er ist Teil einer Robotereinheit, die Katalysatoren vollst\u00e4ndig autonom nach den Vorgaben von Berechnungen eines AI-\u200bModells herstellt. \" class=\"wp-image-139790\" srcset=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623-1024x512.jpg 1024w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623-300x150.jpg 300w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623-150x75.jpg 150w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623-768x384.jpg 768w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623-1536x768.jpg 1536w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623-400x200.jpg 400w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.carousel.1278795623.jpg 1999w\" sizes=\"auto, (max-width: 1024px) 100vw, 1024px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Dieser Roboterarm transferiert Glasfl\u00e4schchen in eine Zentrifuge. Er ist Teil einer Robotereinheit, die Katalysatoren vollst\u00e4ndig autonom nach den Vorgaben von Berechnungen eines AI-\u200bModells herstellt.\u00a0(Bild: ETH Z\u00fcrich \/ Michel B\u00fcchel)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li><strong>Dank einer neuen automatisierten Forschungsinfrastruktur k\u00f6nnen Chemiker:innen an der ETH Z\u00fcrich Katalysatoren schneller entwickeln. K\u00fcnstliche Intelligenz hilft ihnen dabei.<\/strong><\/li>\n\n\n\n<li><strong>Als erstes Demonstrationsprojekt suchten die Forschenden nach besseren Katalysatoren zur Herstellung von Methanol.<\/strong><\/li>\n\n\n\n<li><strong>Die neue Technologieplattform wird die Entwicklung anderer Katalysatoren ebenfalls beschleunigen.<\/strong><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p><strong>Katalysatoren sind die fleissigen Heinzelm\u00e4nnchen der Chemiker:innen. Sie beschleunigen Reaktionen und senken die Energie, die n\u00f6tig ist, damit eine Reaktion ablaufen kann. Je spezifischer und wirksamer ein Katalysator ist, desto effektiver werden unerw\u00fcnschte Nebenreaktionen unterdr\u00fcckt. In der Natur sind es Enzyme, welche aus den schier unendlichen Reaktionsm\u00f6glichkeiten der Chemikaliensuppe in den Zellen ganz gezielt die ben\u00f6tigten Stoffwechselvorg\u00e4nge heraus verst\u00e4rken. In technischen Anlagen werden meist Metallkatalysatoren eingesetzt, um die Produktausbeute zu erh\u00f6hen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n<p>Forschende der Technologieplattform Swiss Cat+ an der ETH Z\u00fcrich unter der Leitung von Paco Laveille haben jetzt eine durchg\u00e4ngig digitalisierte und automatisierte Methode entwickelt, mit der sie massiv schneller als bisher neue und bessere Metallkatalysatoren finden k\u00f6nnen. Sie kombinierten daf\u00fcr k\u00fcnstliche Intelligenz (KI) zur Berechnung von erfolgsversprechenden Katalysatorzusammensetzungen mit einem automatisierten Synthese-\u200b und Testlabor.<\/p>\n\n\n\n<p>Mit dieser Infrastruktur gelang es ihnen, innerhalb von sechs Wochen rund 150 Katalysatoren f\u00fcr die Herstellung des Energietr\u00e4gers Methanol aus CO<sub>2<\/sub>\u00a0zu entwickeln. Die neuen Katalysatoren sind kosteng\u00fcnstig und zeigen hohe Umwandlungsraten mit einem geringen Anteil an Nebenprodukten. <\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"alignleft size-full is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"499\" height=\"499\" src=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.fullwidth.427384058.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-139789\" style=\"aspect-ratio:1;width:153px;height:auto\" srcset=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.fullwidth.427384058.jpg 499w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.fullwidth.427384058-300x300.jpg 300w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.fullwidth.427384058-150x150.jpg 150w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.fullwidth.427384058-270x270.jpg 270w\" sizes=\"auto, (max-width: 499px) 100vw, 499px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Paco Laveille<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\">\n<p>\u00abDer Zeitgewinn durch die neue Methode ist enorm\u00bb, bilanziert <strong>Laveille<\/strong>. \u00abMit einem traditionellen Vorgehen h\u00e4tten unsere Experimente viele Jahre gedauert.\u00bb<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n<div style=\"height:7px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<p>Methanol gilt als eines der Schl\u00fcsselelemente f\u00fcr eine nachhaltige Kohlenwasserstoffwirtschaft. Die chemisch eng mit dem Trinkalkohol Ethanol verwandte Substanz kann sowohl als Brennstoff als auch als Grundstoff f\u00fcr die Herstellung von organischen Verbindungen wie Medikamenten, Kunststoffen oder Farben genutzt werden. Dabei l\u00e4sst sich die Fl\u00fcssigkeit im Gegensatz zu den beiden ebenfalls als Energietr\u00e4ger nutzbaren Gasen Wasserstoff und Methan viel einfacher transportieren und lagern. Zudem k\u00f6nnen die Versorgunginfrastruktur und die Motoren der bisherigen Benzintechnologie mit geringen Anpassungen mit Methanol weiterverwendet werden.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\"><strong>M\u00f6glichkeiten durch eine kluge Vorauswahl eingrenzen<\/strong><\/h3>\n\n\n\n<p>Das grosse Problem bei der Suche nach optimalen Katalysatoren f\u00fcr die Herstellung von Methanol: Theoretisch gibt es praktisch unendlich viele M\u00f6glichkeiten, Atome zu einem Katalysator zu verbinden. \u00abDer chemische Raum, in dem wir nach Katalysatoren suchen, umfasst etwa 10<sup>20<\/sup>\u00a0M\u00f6glichkeiten (hundert Milliarden Milliarden). Wir m\u00fcssen also buchst\u00e4blich die Nadel im chemischen Heuhaufen finden\u00bb, erkl\u00e4rt Christophe Cop\u00e9ret, Professor am Laboratorium f\u00fcr Anorganische Chemie der ETH Z\u00fcrich und Mitinitiator des Swiss-\u200bCat+-\u200bProjekts.\u00a0<\/p>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-large is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1024\" height=\"578\" src=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613-1024x578.jpg\" alt=\" Pr\u00e4zisionswaage des Robotersystems. Das System transferiert feste und fl\u00fcssige Ausgangschemikalien in die Glasfl\u00e4schchen, in denen die Synthese stattfindet.\" class=\"wp-image-139788\" style=\"aspect-ratio:1.7716262975778547;width:789px;height:auto\" srcset=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613-1024x578.jpg 1024w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613-300x169.jpg 300w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613-150x85.jpg 150w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613-768x434.jpg 768w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613-1536x867.jpg 1536w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613-400x226.jpg 400w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/image.imageformat.1286.1743801613.jpg 2000w\" sizes=\"auto, (max-width: 1024px) 100vw, 1024px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Pr\u00e4zisionswaage des Robotersystems. Das System transferiert feste und fl\u00fcssige Ausgangschemikalien in die Glasfl\u00e4schchen, in denen die Synthese stattfindet.\u00a0(Bild: ETH Z\u00fcrich \/ Michel B\u00fcchel)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n<p>Um den riesigen Raum der M\u00f6glichkeiten einzugrenzen, trafen die Forschenden aufgrund von Erfahrungswerten und auch von wirtschaftlichen Vorgaben eine Vorauswahl. Ein grosstechnisch einsetzbarer Katalysator muss n\u00e4mlich nicht nur wirksam, sondern auch g\u00fcnstig sein. Die Hauptkatalysatorwirkstoffe wurden deshalb auf die drei vergleichsweise billigen Metalle Eisen, Kupfer und Kobalt beschr\u00e4nkt.<\/p>\n\n\n\n<p>Zu diesen Hauptmetallen kamen drei Elemente, die in Katalysatoren klassischerweise als sogenannte Dotierung in kleinen Mengen zugemischt werden, sowie Kalium, das ebenfalls in vielen Katalysatoren enthalten ist. Bei den Tr\u00e4germaterialen beschr\u00e4nkten sich die Forschenden auf vier typische Metalloxide. Multipliziert mit unterschiedlichen Mischverh\u00e4ltnissen ergaben sich so immer noch 20 Millionen Kombinationsm\u00f6glichkeiten.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\"><strong>Mit KI-\u200bgest\u00fctzter Statistik und in iterativen Schritten<\/strong><\/h3>\n\n\n\n<p>Nun kam ein KI-\u200bAlgorithmus ins Spiel, der mittels einer sogenannten bayesianischen Optimierung m\u00f6glichst gute L\u00f6sungen sucht. Diese besondere Form der Statistik eignet sich vor allem dann, wenn nur wenige Daten zur Verf\u00fcgung stehen. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit nicht wie in der klassischen Statistik aus der relativen H\u00e4ufigkeit abgeleitet, die aus vielen Experimenten berechnet wird. Es wird bei der Berechnung vielmehr von der Wahrscheinlichkeit ausgegangen, die aufgrund des bisherigen Kenntnisstandes erwartet werden kann.<\/p>\n\n\n\n<p>In einer ersten Runde hat der Algorithmus anhand der zur Einschr\u00e4nkung der Komplexit\u00e4t getroffenen Vorgaben 24 Katalysatorzusammensetzungen zuf\u00e4llig ausgew\u00e4hlt. Diese wurden direkt in der automatisierten Laborinfrastruktur von Swiss Cat+ hergestellt und anschliessend getestet.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\"><strong>Schnell viele Resultate mit hoher Verl\u00e4sslichkeit<\/strong><\/h3>\n\n\n\n<p>Die Ergebnisse dieser ersten Auswahl dienten den Forschenden als Ausgangspunkt f\u00fcr eine KI-\u200bPrognose. Und auch deren vorhergesagten Zusammensetzungen wurden wieder automatisch synthetisiert und getestet. Insgesamt sechs derartige Runden haben die Wissenschaftler:innen ihr integriertes System in diesem ersten Demonstrationsversuch absolvieren lassen.<\/p>\n\n\n\n<p>Dass sich die Ergebnisse zwischen den Runden nicht linear, sondern sprunghaft verbesserten, war durchaus beabsichtigt. Der Algorithmus beinhaltet n\u00e4mlich neben der Optimierung der Ergebnisse der Vorrunden auch eine erkundende Komponente, \u00fcber die in jeder Runde v\u00f6llig neue Versionen von Zusammensetzungen eingespeist wurden. So verhinderten die Forschenden, dass die Berechnungen in einer engen Optimierungssackgasse des grossen M\u00f6glichkeitsraums stecken blieben.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\"><strong>Daten jenseits der Erd\u00f6lchemie generieren<\/strong><\/h3>\n\n\n\n<p>F\u00fcr die Forschenden ging es in diesem ersten Projekt allerdings weniger darum, bereits den bestm\u00f6glichen Katalysator f\u00fcr die Methanolsynthese zu finden. <\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\">\n<p>\u00abDas Wissen \u00fcber Katalysatoren zur Herstellung von Brennstoffen beruht heute noch gr\u00f6sstenteils auf dem Knowhow aus der Erd\u00f6lindustrie\u00bb, sagt <strong>ETH-\u200bProfessor Cop\u00e9ret<\/strong>. \u00abVerl\u00e4ssliche Daten zu den Reaktionen der nachhaltigen Energiewirtschaft fehlen noch weitgehend.\u00bb <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n<p>Sie sind aber n\u00f6tig, damit KI-\u200bAlgorithmen und menschliche Forscherintelligenz im riesigen Raum der chemischen M\u00f6glichkeiten gezielter suchen k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\">\n<p>\u00abGenau diese qualitativ hochstehenden und reproduzierbaren Daten liefert jetzt unser KI-\u200bgest\u00fctztes Roboterlabor. Sie werden die ganze Katalysatorforschung ein gutes St\u00fcck voranbringen\u00bb, erg\u00e4nzt <strong>Laveille<\/strong>.<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n<div class=\"wp-block-image\">\n<figure class=\"aligncenter size-full is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"780\" height=\"661\" src=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/Bildschirmfoto-2024-02-26-um-15.53.53.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-139787\" style=\"aspect-ratio:1.1800302571860817;width:722px;height:auto\" srcset=\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/Bildschirmfoto-2024-02-26-um-15.53.53.png 780w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/Bildschirmfoto-2024-02-26-um-15.53.53-300x254.png 300w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/Bildschirmfoto-2024-02-26-um-15.53.53-150x127.png 150w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/Bildschirmfoto-2024-02-26-um-15.53.53-768x651.png 768w, https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2024\/02\/Bildschirmfoto-2024-02-26-um-15.53.53-319x270.png 319w\" sizes=\"auto, (max-width: 780px) 100vw, 780px\" \/><\/figure><\/div>\n\n\n<div style=\"height:9px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Literaturhinweise<\/h3>\n\n\n\n<p>Ramirez A, Lam E, Pacheco Gutierrez D, Hou Y, Tribukait H, Roch LM, Cop\u00e9ret C, Laveille P: Accelerated Exploration of Heterogenous CO2 Hydrogenation Catalyts by Bayesian-\u200boptimized High-\u200bthroughput and Automated Experimentation. Chem Catalysis, 18. Januar 2024, doi:&nbsp;<a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.checat.2023.100888\">externe Seite10.1016\/j.checat.2023.100888call_made<\/a><\/p>\n\n\n\n<p>Laveille P, Mi\u00e9ville P, Chatterjee S, Clerc E, Cousty JC, de Nanteuil F, Lam E, Mariano E, Ramirez A, Randrianarisoa U, Villat K, Cop\u00e9ret C, Cramer N: Swiss Cat+, a Data-\u200bdriven Infrastructure for Accelerated Catalysts Discovery and Optimization. Chimia 2023, 77: 154, doi:&nbsp;<a href=\"https:\/\/doi.org\/10.2533\/chimia.2023.154\">externe Seite10.2533\/chimia.2023.154call_made<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Katalysatoren sind die fleissigen Heinzelm\u00e4nnchen der Chemiker:innen. Sie beschleunigen Reaktionen und senken die Energie, die n\u00f6tig ist, damit eine Reaktion ablaufen kann. Je spezifischer und wirksamer ein Katalysator ist, desto effektiver werden unerw\u00fcnschte Nebenreaktionen unterdr\u00fcckt. 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