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CO2 als Kraftstoff: KI entdeckt, was Chemiker übersehen haben
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Ein indisch-singapurisches Forscherteam hat mithilfe künstlicher Intelligenz ein chemisches Reaktionsnetzwerk entschlüsselt. Eine präzise Simulation veränderte das Verständnis der CO2-Umwandlung in grünes Methanol und hinterfragt bisheriges Lehrbuchwissen. Diese Erkenntnisse sollen den Weg zu maßgeschneiderten Katalysatoren bei der Entwicklung nachhaltiger Kraftstoffe ebnen.
Wissenschaftler des Indian Institute of Science haben gemeinsam mit Industriepartnern wie dem HPCL Green R&D Centre und der Forschungsagentur A*STAR aus Singapur die Veränderung von Kohlendioxid auf Kupfer-Katalysatoren untersucht. Denn bisherige Computermodelle bildeten diesen chemischen Prozess nur unvollständig ab.
Der Grund dafür liegt darin, dass die quantenmechanischen Berechnungen aller Teilschritte besonders kosten- und rechenintensiv ist. Werden hingegen wichtige Zwischenschritte durch Forscher weggelassen, arbeiten diese bildlich gesprochen mit einer Navigationskarte, auf der entscheidende Abkürzungen fehlen.
Das veraltete Modell lieferte dementsprechend falsche Ergebnisse. Es prognostizierte Ameisensäure statt Methanol als Hauptprodukt und unterschätzte die umgesetzte Reaktionsmenge deutlich. Erst der gezielte Einsatz von maschinellem Lernen brachte einen Durchbruch. Die Wissenschaftler starteten mit einer Datenbank aus 152 Reaktionen und simulierten mithilfe einer KI schließlich ein Netzwerk aus 9.389 Einzelreaktionen sowie 105 Molekülspezies auf der Katalysatoroberfläche. Die Studie lieferte dabei Erkenntnisse, die bisherigem Lehrbuchwissen widersprechen.
CO2-Umwandlung: Riesiges KI-Netzwerk liefert exakte Ergebnisse
Das erweiterte Modell prognostizierte eine etwa 40-fache Steigerung der CO2-Umwandlungsrate im Vergleich zum bisherigen Minimodell. Noch wichtiger dabei ist aber, dass die Vorhersagen mit den experimentellen Beobachtungen aus dem Labor übereinstimmten. Statt Ameisensäure identifizierte das System Methanol und Kohlenmonoxid als tatsächliche Hauptprodukte. Dieser Fortschritt zeigt, dass komplexe chemische Reaktionen nicht einfach am Computer stark vereinfacht werden sollten. Denn so riskieren Forscher völlig falsche Vorhersagen.
Neben den reinen Zahlen stieß das Team auf einen bisher nicht dokumentierten Reaktionsmechanismus. Entgegen bisherigem Lehrbuchwissen kann Wasserstoff als intaktes Molekül direkt auf Reaktionspartner übertragen werden. Shivam Chaturvedi, Co-Autor der Studie, ordnet die Entdeckung:
Die Idee, dass Wasserstoff als intaktes Molekül übertragen werden kann, ohne sich zuerst in Atome aufzuspalten, widerspricht dem, was den meisten von uns beigebracht wurde.
Grüne Kraftstoffe: Besseres Verständnis für die Katalysatorentwicklung
Für die Industrie und den Klimaschutz könnte der neue Ansatz ein enormes Potenzial eröffnen. Denn wenn CO2 effizient in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe wie Methanol umgewandelt wird, können wertvolle Ressourcen entstehen. Das wiederum kann Wissenschaftlern dabei helfen, die zugrundeliegenden Prozesse besser zu verstehen und künftig gezielter effektive Katalysatoren zu entwickeln.
Das entwickelte KI-Framework lässt sich potenziell auch auf andere industriell wichtige katalytische Prozesse übertragen. Dazu gehören unter anderem die Wasserstoffherstellung durch Wasserspaltung oder die nachhaltige Stickstoffumwandlung. Zwar bleiben auch weiterhin vollständige quantenmechanische Berechnungen ohne künstliche Intelligenz unbezahlbar. Doch die Fortschritte zeigen, wie die effizientere Herstellung nachhaltiger Chemikalien und Kraftstoffe durch Technologie ein Stück näher rücken kann.
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