Tekoäly on hyvä assistentti ja ongelmanratkaisutyökalu etsittäessä ratkaisuja tehdä hiilidioksidista metanolia polttoaineeksi. Aalto-yliopiston tutkijat selvittävät parhaillaan, miten löytää paras katalyytti eli apuaine tähän kemialliseen reaktioon. Professori Annukka Santasalo-Aarnio vetää hanketta EU:n elpymisvälinerahoituksella, joka on myönnetty Suomen Akatemian kautta.

Hanke on ollut käynnissä puolitoista vuotta. Sinä aikana tutkijat ovat etsineet sopivia datapankkeja, joista tekoäly eli AI voisi hakea sopivia katalyyttejä. Kun ne löydettiin, pistettiin AI töihin, eli se etsii kaikista mahdollisista alkuaineista sekä niiden yhdistelmistä tähän tarkoitukseen sopivia.

Aikaisemmin tämäntyyppinen etsintä on tehty ihmisvoimin, mikä on saattanut viedä vuosikausia. Santasalo-Aarnio vitsailee, että heitettiin tikkaa, kun mietittiin, mitä alkuaineita kokeiltaisiin. Nyt AI tekee tämän kuukausissa.

”AI on kuin excelin lisäpalikka. Sille annetaan tehtäväksi etsiä sellainen materiaali, joka toimisi tässä reaktiossa. AI seuloi meille hirveän määrän erilaisia katalyyttivaihtoehtoja, ja olemme saaneet ensimmäiset kandidaatit. Seuraavaksi mittaamme niitä kokeellisesti reaktorissa. Kun saamme tulokset, syötämme ne takaisin AI:hin, joka etsii niistä entistä parempia katalyyttivaihtoehtoja. Eli AI antaa meille vinkkejä, mistä kannattaisi katsoa.”

Santasalo-Aarnio muistuttaa, että tekoälyä ei päästetä tekemään päätöksiä, vaan tutkijat tekevät ne AI:n antamien vinkkien perusteella. Korkeiden työvoimakustannusten Suomessa tekoäly on hyvä keino päästä nopeammin eteenpäin teknisissä ratkaisuissa.

Annukka Santasalo-Aarnio esittelee hankkeen projektikaaviota, kuinka tutkimus etenee.

AIcon-projektissa hyödynnetään tekoälyä suuren datamäärän läpikäyntiin, jotta löydetään metallisia materiaaleja, joilla on hyvä katalyyttiset ominaisuudet. Löydettyjä materiaaleja testataan kokeellisesti ja tuoreet tiedot syötetään takaisin mallin, jolloin malli tarkentuu. Tekoälyä hyödynnetään projektissa myös prosessiparametrien optimoimiseksi. Näin saadaan vähennettyjä kokeellisten tutkimusten määrää ja päästään nopeammin haluttuun lopputulokseen.

Miksi hiilidioksidista pitäisi saada polttoainetta?

Ilmastonmuutoksen hidastaminen on Santasalo-Aarniolle tärkein kriteeri kehittää hiilidioksidista polttoainetta, joka ei olisi valmistettu fossiilisista lähteistä. Ja koska tekoäly mahdollistaa entistä huikeasti nopeamman ongelmanratkaisun, sitä tietenkin kannattaa hyödyntää tässäkin.

Metanolia tarvittaisiin suurten kulkuvälineiden kuten laivojen ja lentokoneiden polttoaineeksi, koska niitä ei voida kuljettaa sähköllä, mitkään akut eivät siihen riittäisi. Metanolia on jo aikaisemminkin käytetty, mutta se on ollut fossiilista ja sen katalyyttinä on käytetty kuparisinkkialumiinioksidia. Sama katalyytti toimii huonosti nyt, kun raaka-aine vaihtuu.   

Nyt etsitään tehokkaampaa ja edullista yhdistettä katalyytiksi. Esimerkiksi jalometallit suljetaan tästä syystä heti pois. Myös harvinaiset metallit pyritään poistamaan tarjokkaista.

”Jos polttoainetta saataisiin pienemmällä energialla, se olisi halvempaa. Se taas vaikuttaisi siihen, että uusiutuva polttoaine olisi paljon halvempaa, kuin se tällä hetkellä on. Silloin sen olisi helpompi kilpailla fossiilisten polttoaineiden kanssa. Sinä päivänä, kun fossiilinen polttoaine on samanhintaista kuin uusiutuva, sille voidaan vilkuttaa hyvästit.”

Hiilidioksidi on Santasalo-Aarnion mukaan mielenkiintoinen raaka-aine. Yli sata vuotta on hyödynnetty fossiilista pitkäketjuista hiiliyhdistettä, jota voi helposti pilkkoa. Nyt on lähdetty toiseen suuntaan pyrkimällä hyödyntämään hiilidioksidia ja hylkäämään fossiilisen tien. Tällä hetkellä se vie erittäin paljon energiaa, mihin pitäisi saada muutos.

”Synteettinen metanoli valmistetaan ottamalla hiilidioksidi ilmasta. Uusiutuvan energian avulla hajotetaan elektrolyysillä vedestä happi ja vety, jotka otetaan talteen. Sitten yhdistetään hiilidioksidi ja vety reaktorissa, mistä syntyy metanolia.”

Päämääränä fossiilisista polttoaineista eroon pääseminen

Aallosta professori Patrick Rinke ryhmineen on mukana tutkimuksessa. He ovat keskittyneet laskennalliseen puoleen ja tekoälyn hyödyntämiseen. He ovat aiemminkin kehittäneet katalyyttejä.

Santasalo-Aarnion alaa ovat energian muutosprosessit, akkuvarastot ja lämmönvarastot. Fossiilisista polttoaineista eroon pääseminen on hänen tutkimustensa tärkeimpiä tavoitteita.

Hän on viisi vuotta työskennellyt Power-to-X-teknologioiden parissa. Niissä uusiutuvien energialähteiden tuottaman sähköenergian avulla valmistetaan synteettisiä polttoaineita tai muita yhdisteitä. Power-to-X-teknologian lopputuotteita voidaan käyttää kulkuneuvojen polttoaineena ja kemianteollisuudessa.

”Polttoaine ei ole ainoa tuote. Kaikki polymeeri- eli muovituotteet valmistetaan tällä hetkellä raakaöljystä. Tulevaisuudessa raaka-aineen pitää olla jotain muuta. Metanolista voidaan lähteä rakentamaan mitä tahansa hiilivetypohjaisia tuotteita.”

Santasalo-Aarnio kertoo EU:n elpymisvälinerahoituksen tulleen juuri oikeaan aikaan haettavaksi. Nopeaa kehittämistä vaativa hiilineutraalisuuteen liittyvä tutkimus kärsii rahoitushakemusten pitkistä käsittelyajoista.

Tutkimushankkeelle on myönnetty Euroopan unionin elpymisvälinerahoitusta (NextGenerationEU) Suomen Akatemian kautta projektinumerolla 348179.

Teksti: Leena Vähäkylä
Kuvat: Leena Vähäkylä, Rodeo