AI ontmoet Chemie –  en de broeikasgassen raken op



De wereld is op zoek naar oplossingen voor klimaatverandering – en één daarvan wordt momenteel ontwikkeld in een onopvallend laboratorium bij LANXESS in Leverkusen. Hier heeft een klein team een nieuw product ontwikkeld met veelbelovende mogelijkheden: een nieuwe Lewatit®-hars, die CO2 opvangt, rechtstreeks uit de buitenlucht. Hoe is dit tot stand gekomen? Het onderzoeksteam onder leiding van chemicus Julian Krischel, BU LPT, werkte samen met data science collega Hanna Kahlfeld, GF IT. 

 

Afzonderlijk gezien zien de kleine rode, oranje, zwarte of witte kralen van het merk Lewatit er niet uit als veel®. Maar samen zijn het echte krachtpatsers en hun veelzijdigheid is fascinerend. De BU LPT-korrels verwijderen verontreinigende stoffen uit water, helpen bij het recyclen van batterijen en kunnen zelfs de CO2  uit de lucht. Het enige probleem is dat luchtfiltratie voorheen beperkt was tot gesloten ruimtes zoals kassen, onderzeeërs en het ruimtestation ISS. Hoewel dit al behoorlijk indrukwekkend is, zagen de ontwikkelaars bij LPT nog meer potentieel in hun al gevestigde Lewatit® VP OC 1065. "We wilden ook CO2  uit de buitenlucht," zegt Julian Krischel, hoofd productinnovatie, verantwoordelijk voor het project Direct Air Capture, BU LPT. Want alleen als dit zou lukken, zouden de kralen van 
LANXESS een belangrijke bijdrage leveren aan het stoppen van de klimaatverandering. De ambitie was en is daarom hoog, net als de druk om te slagen.


Lewatit® met meer potentie
Momenteel zijn er wereldwijd ongeveer 50 directe luchtafvangsystemen in gebruik die het broeikasgas permanent uit de lucht kunnen verwijderen. Vorig jaar waren dat er 20 minder. Een van de grootste installaties staat in IJsland. Deze vangt 4.000 ton CO2 per jaar uit de lucht. Momenteel wordt daar een veel grotere installatie gebouwd: men verwacht dat deze 36.000 ton CO2  per jaar. Tegen 2030 wil het bedrijf enkele miljoenen tonnen CO2 per jaar uit de lucht worden gezogen, en tegen 2050 zullen dat er enkele miljarden zijn. 

"De zoektocht naar verschillende technische oplossingen voor de adsorptie van CO2  is enorm," zegt Krischel. Een groeiende markt. Maar voor onze taak is de Lewatit® krachtiger worden. Om dit mogelijk te maken, nam het innovatieteam van LPT Hanna Kahlfeld, een AI-expert, aan boord.

AI versnelt de Processen 
Hanna Kahlfeld is bekend met de toepassing van AI op problemen zoals deze: "AI kan helpen om productontwikkeling sneller en nog innovatiever te maken." De AI wordt op zo'n manier getrianguleerd met data dat het specifiek receptvoorstellen genereert met de hoogste verwachte toename in prestaties. Deze recepten worden vervolgens getest in het laboratorium. Op basis van de testresultaten kan de AI worden "gevoed" met nog betere gegevens.

Er waren ongeveer 30 variabelen en zeven doelparameters in de bestaande formulering voor de ionenwisselaars. Het testen van al deze variabelen in een groot aantal varianten voor een nieuwe formulering in het laboratorium zou tientallen jaren in beslag hebben genomen en enorme kosten met zich mee hebben gebracht. In dit specifieke geval was er een bijkomend probleem: er was slechts een kleine hoeveelheid testgegevens beschikbaar. "Dit is precies waar onze aanpak het beste tot zijn recht komt," zegt Kahlfeld. Het AI-model kan niet alleen voorspellingen doen, maar ook de onzekerheid ervan inschatten. Vooral met kleine datasets is dit cruciaal om tot betere recepten te komen. "Hierdoor kunnen we een duidelijk pad vinden door de complexe parameterruimte en het aantal benodigde proeven aanzienlijk verminderen," vat Kahlfeld samen.

Verhouding van vele parameters beslissend
De chemicus Julian Krischel wist precies wat de nieuwe formulering moest bereiken. De korrels moesten veel CO2  maar mag niet te poreus zijn. Adsorptiecapaciteit, stabiliteit en zweleigenschappen moesten daarom in de juiste balans zijn.

De AI gaf receptsuggesties die Krischel en zijn team testten in het laboratorium. Kahlfeld voerde de laboratoriumresultaten terug naar de AI zodat deze vervolgens nog betere receptvoorstellen kon genereren. In de tweede iteratie stelde de AI twee nieuwe formules voor waarvan het model voorspelde dat ze zeer goed zouden presteren op verschillende gebieden. Krischel zag hier nog meer potentieel en combineerde de twee formuleringen snel. Zijn nieuwe formulering bleek een compleet succes. "Na slechts twee iteraties van het experiment hadden we een formulering gevonden die aan al onze verwachtingen voldeed," zegt Krischel. Dit is een uitstekend voorbeeld van hoe de sleutel tot succes ligt in de combinatie van AI-denkkracht en domeinkennis. 

Indrukwekkend resultaat
Het resultaat is indrukwekkend: De nieuwe ionenwisselaars kunnen twee keer zoveel CO2  als de eerder gebruikte. Hun kinetische eigenschappen ("absorptiesnelheid") zijn toegenomen. Dit heeft een invloed op hun algemene prestaties - ze behoren tot de beste in hun klasse. 

Het team had slechts tien maanden nodig voor dit hele proces. De eerste stap is dus voltooid. Nu is het tijd voor productie. "Het is altijd een spannend moment als we van het lab naar de fabriek gaan. We zijn blij dat we kunnen rekenen op de expertise en ervaring van onze collega's in de fabriek," zegt Krischel. De nieuwe ionenwisselaar zou vanaf 2026 beschikbaar moeten zijn. Tegen die tijd kunnen de kleine parels aan de hoge verwachtingen voldoen en hun rol spelen bij het oplossen van het grote probleem van de opwarming van de aarde in de directe luchtafvanginstallaties (zie ook het interview hiernaast).