Pensionerad robot letar nya energimaterial

Per H. Svensson, kemiforskare på forskningsinstitutet Rise Södertälje, läser av streckkoderna på några provrör och ställer dem i en hållare. Några klick på datorn och sedan ställer han hållaren på rullbandet. Nu tar roboten över. Den läser av streckkoderna, fyller provrören med olika färgglada vätskor, skakar om och undersöker innehållet i olika instrument. Allt går helt automatiskt.

– Till skillnad från mig blir den aldrig trött och har aldrig en dålig dag. Den gör experimenten på exakt samma sätt hela tiden, säger Per H. Svensson.

Robotarmar flyttar provrör

Det han kallar ”robot” är i själva verket ett helt system där robotarmar flyttar provrör mellan olika stationer. På labbet står två stycken sida vid sida. Både lokalerna och robotarna tillhörde tidigare läkemedelsföretaget Astra Zeneca. Företaget utvecklade dem för storskaliga kemiska analyser av nya, lovande läkemedelskandidater. Men så kom beskedet i februari 2012: Astra Zeneca lägger ner forskningen i Södertälje. Totalt fick omkring 1 200 personer gå.

– Även de här två båda läkemedelsrobotarna, som kostat mer än 100 miljoner kronor att utveckla, blev arbetslösa. Vi hann bara använda dem något år innan forskningen lades ner, säger Per H. Svensson som då arbetade som forskare på Astra Zeneca.

Kvar i de öde lokalerna stod även annan utrustning för bland annat processutveckling. För att ta vara på både apparater och kunskap hos de tidigare anställda bildades en ny enhet på forskningsinstitutet RISE.

Letar material till perovskit-solceller

Per H. Svensson var en av ett trettiotal personer från Astra Zeneca som gick över till det nya institutet. Han funderade på hur erfarenheterna från läkemedelsutveckling skulle kunna användas inom nya områden. Genom kontakter med Kungliga tekniska högskolan, KTH, där han även är affilierad professor i tillämpad fysikalisk kemi, fick han idén att robotarna, förutom nya mediciner, skulle kunna utveckla nya solcellsmaterial.

I ett första projekt har han tillsammans med doktoranden Allan Starkholm, som också jobbar på labbet i Södertälje, samt KTH-professorn Lars Kloo, anpassat och programmerat om en av robotarna för att leta nya lovande material till så kallade perovskit-solceller. Perovskiter är ett nytt favoritmaterial inom solcellsforskningen. Förutom att perovskitkristaller är bra på att omvandla solens strålar till elektricitet, är de billiga och enkla att tillverka. Nackdelarna är att de är förhållandevis instabila och den mest effektiva varianten innehåller giftigt bly.

För att försöka komma bort från bly och hitta stabilare material fick roboten hjälpa till i arbetet med ett nytt spår, där perovskit-materialet är tvådimensionellt i stället för traditionellt tredimensionellt. För att få bättre solfångande effekt har det dessutom kombinerats med ett ljusabsorberande färgämne.

Har hittat fem kandidater

Efter att ha låtit roboten blanda och karaktärisera en mängd prover hittades fem nya kandidatmaterial som presenterats i en artikel i tidskriften Journal of the American Chemical Society. Verkningsgraden är visserligen fortfarande väldigt låg, men varken materialet eller solcellerna är optimerade, påpekar Allan Starkholm.

– Det är en ny typ av material och nu bygger vi vidare för att se om vi kan hitta fler spännande varianter med robotens hjälp.

Den stora vinsten med att undersöka material på löpande band är att det går att testa många fler kombinationer än vad det finns tid och resurser till om det ska göras manuellt. Roboten kan hantera upp till 380 experiment parallellt.

– Det betyder att vi kan testa tusentals olika materialkombinationer, säger Per H. Svensson.

Jakten på de nya materialen börjar i datorn. Men hjälp av beräkningar och simuleringar ringas intressanta materialkombinationer in.

– Det är en minst lika stor och viktig del av arbetet, påpekar Per H. Svensson.

I fallet med solcellerna blandas olika färgämnen med så kallade metallhalider som är grundstrukturen i perovskiter. Roboten programmeras för att blanda de olika ämnena i olika proportioner. De kan även blandas vid olika temperatur. Lösningar av de ämnen som ska testas hälls i speciella behållare. Roboten tar sedan hand om experimenterandet.

Tar många instrument till hjälp

En mängd instrument hjälper till i jakten på solfångande kristaller. Med hjälp av ljusmikroskop och sensorer kan roboten avgöra om det bildats kristaller i de olika provrören. Om kristaller bildats går provröret vidare för analys med så kallad Raman-spektroskopi. Vid den slutliga analysen droppar roboten lite av innehållet på en liten platta som åker in i en silverfärgad låda för röntgendiffraktion.

– Där får vi ut ett unikt mönster som gör att vi kan se om det är ett nytt material eller inte, säger Per H. Svensson.

Hur bra de nya materialen sedan är på att fånga solljus testas än så länge i ett separat labb, men målet är att bygga in även ett sådant test i robotcellen.

– Det är drömmen och något som vi jobbar stenhårt med, säger Per H. Svensson.

Vattenbaserade elekrolyter till litiumjonbatterier

Även den andra roboten förbereds nu för att börja jobba. I ett nytt projekt ska den hjälpa till att hitta nya vattenbaserade elektrolyter till litiumjonbatterier. Målet är att göra batterierna billigare, mer miljövänliga och enklare att återvinna jämfört med dagens batterier, där elektrolyten är baserad på organiska lösningsmedel och reaktiva salter.

Det treåriga projektet har fått 7,5 miljoner kronor i stöd från Energimyndigheten och leds av batteriforskaren Kristina Edström vid Uppsala universitet. Precis som med solcellerna är tanken att roboten direkt ska kunna testa de nya elektrolyterna i små testbatterier.

Per H. Svensson ser framför sig hur robotar kan snabba upp utvecklingen av nya material inom fler områden. Lysdioder är ett exempel.

Ett annat mål är att använda erfarenheterna från de båda robotarna för att bygga ett helt nytt robotsystem för automatiserad kemisk analys med hjälp av fysik, kemi, AI och programmering.

– Då skulle vi kunna bygga det exakt som vi vill. Det är ett stort, men mycket spännande projekt.