Electrolab: Roboter erledigt elektrochemische Experimente selbstständig

Inhaltsverzeichnis

Wissenschaftler des Beckman Institute for Advanced Science and Technology haben einen Laborroboter mit dem Namen Electrolab entwickelt, der komplexe elektrochemische Experimente automatisiert durchführen und Daten analysieren kann. Der Roboter kann den dafür nötigen Arbeits- und Zeitaufwand und damit die Kosten deutlich reduzieren.

Für die Wissenschaftler stand bei der Entwicklung von Electrolab im Vordergrund, dass es sich um ein erschwingliches Gerät handelt. Es sollte aus handelsüblichen Teilen aufgebaut werden können und anpassungsfähig sein. Herausgekommen ist ein Roboter, dessen Teile weniger als 1000 US-Dollar kosten, wie die Forscher in dem wissenschaftlichen Paper "The Electrolab: An open-source, modular platform for automated characterization of redox-active electrolytes" schreiben, der im Fachmagazin Device erschienen ist.

Chemische Analysen

Eingesetzt werden soll Electrolab etwa zur Erforschung von Energiespeichermaterialien und chemischen Reaktionen. Speicher aus diesen Materialien sollen dann Energie aus Wind und Sonne speichern können und so den Klimawandel bekämpfen helfen, erläutern die Forscher des Beckman Institutes.

"Wir hoffen, dass das Electrolab neue Entdeckungen im Bereich der Energiespeicherung ermöglicht und uns dabei hilft, Wissen und Daten mit anderen Elektrochemikern und Nicht-Elektrochemikern zu teilen. Wir wollen, dass sie Dinge ausprobieren können, die ihnen vorher nicht möglich waren", sagt Joaquín Rodríguez-López, Professor im Fachbereich Chemie an der University of Illinois Urbana-Champaign.

Als Einsatzgebiet sehen die Forscher etwa eine Anwendung im Bereich der Redox-Flow-Batterien. Diese können Strom auf Netzebene speichern und Stromnetze mit Strom versorgen. Diese Batterien verwenden organische Moleküle zur Energiespeicherung, die sich durch eine Änderung der Molekülstruktur optimieren lassen. Der Nachteil dieses Batterietyps ist, dass es viel Zeit und Mühe kostet, ein funktionierendes System zu finden. Hierbei könnte Electrolab, dessen Bauplan die Wissenschaftler kostenfrei zur Verfügung stellen, helfen.

Laborroboter aus Standardbauteilen

Electrolab besteht im Wesentlichen aus einer Hardware und einer Software. Als Hardware verwenden die Wissenschaftler einen Standardrahmen eines 3D-Druckers, den sie in einen Roboter zur Handhabung von chemischen Lösungen umwandelten. Er besteht aus mikrogefertigten Elektrodenanordnungen (eChips) sowie elektrochemischer Hardware. Der Roboter kann sich über die elektrochemischen Zellen bewegen, um so verschiedene Flüssigkeiten zu dosieren. Die eChips messen den elektrischen Strom, der für das Verständnis der elektrochemischen Messungen erforderlich ist.

Die passende Software haben die Wissenschaftler in Python programmiert. Über die Software können die Experimente gesteuert werden. Sie ermöglicht außerdem eine vollautomatische Datenanalyse, erstellt visuelle Grafiken sowie Diagramme. Mittels Machine Learning können die vorgegebenen Aufgaben komplett in die Hände des Roboters gelegt werden. Er kann so während eines Experiments Entscheidungen treffen, die das Experiment beeinflussen. So nutzt Electrolab etwa die Ergebnisse der Datenanalyse dazu, vielversprechende Datensätze auszuwählen, um sie für weitere Experimente weiterzuverwenden.

Praktische Anwendung

Die Forscher testeten die Genauigkeit und Robustheit von Electrolab in zwei verschiedenen Versuchen. Im ersten Versuch ließen sie Electrolab 200 Experimente unter verschiedenen Bedingungen durchführen, analysieren und – aufräumen. Ein Elektrochemiker hätte dafür etwa acht Stunden gebraucht, Electrolab schaffte es in lediglich zwei Stunden.

Für den zweiten Versuch wurde der Roboter so programmiert, dass er unterstützende Elektrolytlösungen für ein Redox-Flow-Batteriematerial ermitteln konnte. Dazu wurde er modifiziert und erhielt empfindlichere Elektroden. Zudem wurde er so eingestellt, dass er völlig autonom arbeitete. Die Aufgaben erledigte er innerhalb von vier Stunden.

Electrolab kann neben der Erforschung neuer Batteriematerialien auch für andere elektrochemische Anwendungen verwendet werden. So planen die Wissenschaftler, mithilfe des Roboters die Bedingungen für die Oxidation gängiger Biomasse-Nebenprodukte zu erforschen. Damit sollen Möglichkeiten gefunden werden, wie Abfall in Chemikalien, die einen gewissen Mehrwert bieten, umgewandelt werden können.

(olb)