Kovy pre batérie a smartfóny možno raz porastú na poliach. Vedci ich chcú doslova „pestovať“
Vedci skúšajú získavať kritické minerály pomocou rastlín, ktoré z pôdy dokážu hromadiť nikel a ďalšie cenné suroviny.
Nikel, kobalt či vzácne zeminy dnes získavame najmä z baní. Americkí vedci však skúšajú inú cestu. Časť kritických minerálov by mohli z pôdy vytiahnuť rastliny a uložiť ich vo svojich tkanivách.
Smartfóny, batérie, polovodiče aj vojenská technika potrebujú kritické minerály, pri ktorých sú Spojené štáty vo veľkej miere závislé od zahraničných dodávok. Výskumníci z amerického Oak Ridge National Laboratory (ORNL) preto skúmajú, či by časť z nich nevedeli získavať pomocou rastlín.
Niektoré druhy dokážu minerály prijímať koreňmi a hromadiť ich vo vysokých koncentráciách. Po zbere sa rastlinná biomasa spracuje a uložené kovy sa z nej získajú. Na tomto princípe stojí takzvaný phytomining.
Kov vytiahnu z pôdy korene a rastlina ho uloží vo svojom tele
Phytomining nie je úplná novinka. Rastliny sa už roky používajú napríklad pri čistení pôdy v okolí bývalých priemyselných a banských lokalít. ORNL teraz skúma, ako túto schopnosť cielene využiť na získavanie kritických minerálov.
Zaujímavé sú najmä miesta s veľkými, ale málo koncentrovanými ložiskami, ktoré nie sú vhodné na klasickú ťažbu. Vedci rátajú aj s okrajovou pôdou nevhodnou na pestovanie potravín či s územiami, ktoré sa obnovujú po banskej činnosti.
Neprehliadni
Výhodu môžu mať teplejšie oblasti. Rastliny tam rastú rýchlejšie a vytvoria viac biomasy, v ktorej sa môže nahromadiť väčšie množstvo požadovaného minerálu.
Do testu išlo 360 rastlín a viac než 24-tisíc pozorovaní
V experimente ORNL sa výskumníci zamerali na nikel. Vybrali si rastlinu pennycress a otestovali 12 rôznych línií pochádzajúcich z rôznych častí sveta. Pennycress rastie rýchlo a patrí do rovnakej čeľade ako rastliny známe schopnosťou hromadiť nikel.
Celkovo pestovali 360 rastlín v pôde s rozdielnymi koncentráciami tohto kovu. Namiesto občasného ručného merania ich sledovalo automatizované laboratórium Advanced Plant Phenotyping Laboratory.
Rastliny sa na dopravníkoch presúvali pred kamery s vysokým rozlíšením. Tie zachytávali zmeny farby listov, tvar rastliny, tempo rastu, reakcie na stres aj obsah minerálov. Za celý experiment tak vzniklo viac než 24-tisíc pozorovaní.
Pri takom množstve dát už nie je problémom samotné meranie. Čas zaberá najmä ich spracovanie a porovnanie toho, ako jednotlivé rastliny reagovali na rastúcu koncentráciu niklu.
AI prešla stovky hodín práce za niekoľko minút
Na túto časť práce vedci nasadili systém OPAL co-scientist, agentickú umelú inteligenciu vyvíjanú v rámci projektu Orchestrated Platform for Autonomous Laboratories.
Rozdiel bol výrazný. Analýzu viac než 1 000 vlastností rastlín, ktorá by manuálne zabrala stovky hodín, dokázali výskumníci s pomocou systému zvládnuť v priebehu niekoľkých minút.
Pre porovnanie, dvaja vedci ručne sledovali desať vlastností rastlín, napríklad ich zelenosť alebo moment prudkého rastu pred kvitnutím. Jediné takéto meranie všetkých rastlín im zabralo približne šesť hodín.
Automatizované laboratórium pritom každú rastlinu fotografovalo trikrát denne a zo snímok získavalo stovky údajov. Výskumník si následne mohol vybrať konkrétnu vlastnosť aj čas experimentu a podľa ORNL dostať analýzu za menej než minútu.
AI odhalila, ktoré vlastnosti prezradia budúce hromadenie niklu
OPAL pritom nefunguje iba ako rýchly vyhľadávač vo veľkom množstve dát. Systém si vie naplánovať postup, napísať a spustiť kód, vyhodnotiť výsledky a navrhnúť ďalší krok experimentu.
Pri teste s niklom napríklad našiel rastliny, ktoré vyššie koncentrácie znášali najlepšie. Porovnal ich rast a odolnosť voči stresu a hľadal aj skoré znaky, podľa ktorých by sa dalo odhadnúť, koľko niklu rastlina nakoniec nahromadí.
Keď sa v dátach objavila anomália, systém na ňu vedcov upozornil. Navrhol im aj ďalšie experimenty zamerané na to, prečo niektoré rastliny nikel znášajú lepšie a ktoré vlastnosti by sa dali využiť pri ďalšom zlepšovaní phytominingu.
Výpočtové zázemie OPALu poskytuje aj superpočítač Frontier. Na projekte pritom nepracuje iba ORNL, zapojené sú aj laboratóriá Argonne, Lawrence Berkeley a Pacific Northwest.
Baktérie môžu rastlinám sprístupniť kovy pevne viazané v pôde
Rastlina sama nedokáže z pôdy získať všetko. Časť minerálov zostáva pevne viazaná a koreňom nie je ľahko dostupná. Tu majú pomôcť mikróby a proteíny, ktoré vyvíjajú partnerské laboratóriá.
Pacific Northwest a Lawrence Berkeley pracujú napríklad s baktériou Pseudomonas putida. Tá uvoľňuje organické kyseliny, ktoré môžu sprístupniť minerály viazané v pôde a uľahčiť ich príjem rastlinami.
Argonne sa zase sústreďuje na proteíny a enzýmy pre bioleaching, teda biologické uvoľňovanie kovov, vrátane prvkov vzácnych zemín. Ďalším krokom projektu je spojiť tieto prístupy s rastlinnými experimentmi.
V experimente s pennycress sa ORNL sústredilo výhradne na nikel. Kobalt, selén a prvky vzácnych zemín vedci spomínajú v širšom kontexte phytominingu a ďalšie laboratóriá už pracujú na tom, ako rastlinám sprístupniť aj tieto minerály.
Ďalším krokom bude spojiť rastliny s mikróbmi a proteínmi, ktoré dokážu uvoľňovať minerály pevne viazané v pôde. Vedci tak chcú zistiť, či dokážu dostať do rastlinnej biomasy ešte viac kovu než pri samotnom pestovaní rastlín.
