Tidak ada solusi mudah terhadap permasalahan terbesar di dunia seperti perubahan iklim, polusi udara, dan penyediaan air minum bersih untuk semua orang. Namun laboratorium canggih baru di Skokie berdedikasi untuk mengatasi permasalahan tersebut melalui bahan, produk, dan teknik generasi baru.
Lembaga Penelitian UL nirlaba, pemimpin dunia dalam ilmu keselamatan, membuka fasilitas terbarunya di Skokie pada musim gugur ini.
Materials Discovery Research Institute (MDRI) seluas 19.366 kaki persegi, terletak di Illinois Science + Technology Park di 8045 Lamon Avenue, dirancang untuk menjadi salah satu fasilitas penelitian terbaik di dunia yang melibatkan penciptaan dan penyimpanan energi, dekarbonisasi, dan ketahanan air. . Tujuan ambisiusnya, menurut Stuart R. Miller, wakil presiden dan direktur eksekutif MDRI, adalah menggunakan teknologi terbaru untuk memajukan ilmu material dengan cara yang dapat memberikan solusi praktis untuk permasalahan yang sering kali tampak membebani.
“Ada inovasi signifikan yang diperlukan dalam ilmu material, yang akan memungkinkan kita memanfaatkan energi baru dan bersih,” katanya. “Ini juga akan memungkinkan kami menyediakan air minum bersih dan udara sehat bagi masyarakat di seluruh dunia.”
Dalam meneliti ilmu material, Miller dan timnya di MDRI akan menciptakan material baru untuk menggantikan sebagian besar bahan yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari saat ini. Hal ini bisa berarti, misalnya, mengganti logam mulia mahal yang ditemukan dalam baterai dengan logam yang lebih umum – dan lebih murah – yang lebih aman dan efektif. Atau ambil panel surya yang mungkin Anda miliki di atap Anda, yang menggunakan silikon.
“Silikon yang canggih mungkin memiliki efisiensi sekitar 22%,” kata Miller. “Dan kami berupaya mencapai efisiensi 30% hingga 40% dengan material baru.
“Efeknya bagi Anda sebagai konsumen adalah Anda membutuhkan lebih sedikit panel di atap Anda, yang berarti Anda perlu mengeluarkan lebih sedikit uang, dan panel tersebut dapat bertahan lebih lama serta menghasilkan lebih banyak listrik,” katanya.
Dalam membangun fasilitas baru, MDRI dapat memanfaatkan kemajuan AI dan pembelajaran mesin, untuk membuat lompatan besar dalam kecepatan penelitian dapat dilakukan.
“Jika saya masuk ke lab hari ini dan tidak bergantung pada platform yang dipercepat, saya mungkin dapat membuat sekitar 2.000 sampel per tahun, dan itu merupakan pekerjaan yang berat.” kata Miller. Dengan bantuan teknologi baru ini, dalam periode yang sama, ia dapat menghasilkan setengah juta hingga tiga perempat juta sampel per tahun.
“Tetapi (mesin) tidak mengambil hari libur atau bekerja dari jam sembilan sampai jam lima,” katanya. “Kami telah mengubah aturan mainnya. Tidak mudah untuk mengatakan bahwa kami akan meningkatkan dari 2.000 sampel menjadi 2 juta sampel per tahun, namun kami memiliki kemampuan tersebut.”
Laboratorium MDRI dilengkapi dengan peralatan terbaru untuk memungkinkan proses penelitian yang lebih otomatis, seperti NanoPrinter logam 3D. Ia dapat menghasilkan, menggabungkan, dan menyimpan nanopartikel dalam satu proses otomatis. Teknologi canggih lainnya mencakup platform sintesis otomatis yang dapat membantu menemukan material dengan lebih cepat, dan mesin yang menggunakan sinar X untuk memahami struktur material pada skala atom.
Salah satu keunggulan laboratorium ini adalah laboratorium ini dirancang sejak awal dengan mempertimbangkan banyak teknologi baru. Ketika laboratorium yang ada memperkenalkan teknologi baru, teknologi tersebut sering kali dimasukkan ke dalam sistem yang sudah ada sebelumnya.
“Kami tidak bekerja sebagai laboratorium – kami menunggu laboratorium tersebut dibangun,” kata Miller. “Jadi kami menghabiskan hampir dua tahun mengerjakan lingkungan data tersebut. Bagaimana informasi itu disimpan? Bagaimana cara kita menangkapnya? Seperti apa arsitekturnya?
“Hal ini memungkinkan kami untuk memanfaatkan pembelajaran mesin tersebut, karena bahkan sebelum kami memulai di lab, kami telah memastikan bahwa kami telah menangkap setiap titik data, dan hal tersebut tidak umum terjadi.”
Setiap bahan kimia dilacak sejak bahan tersebut memasuki fasilitas, dengan informasi tentang cara penyimpanannya serta suhu dan kelembapan relatif pada hari bahan tersebut digunakan.
“Di Chicago, kondisi di bulan Juli berbeda dengan di bulan Februari, dan hal itu dapat (mempengaruhi) eksperimen Anda,” katanya.
revolusi AI
Pemilihan waktu pembangunan memungkinkan MDRI untuk mengambil keuntungan dari revolusi AI.
“Anda benar-benar mendapatkan manfaat dari badai sempurna yang bersandar pada pembelajaran mesin,” katanya. “Hal yang sulit mengenai pembelajaran mesin adalah hal ini menjadi sebuah kata kunci. Itu menjadi sesuatu yang disebutkan orang tanpa terlalu memikirkan apa yang terlibat.
“(Tetapi) Anda perlu menghabiskan banyak waktu untuk menyempurnakan arsitektur data tersebut,' katanya. “Karena pembelajaran mesin berputar kembali ke arsitektur data untuk belajar dari eksperimen yang tidak berhasil. Ini memperpendek peta jalan menuju kesuksesan. Tidak banyak orang dan tidak banyak laboratorium di seluruh dunia yang memiliki peluang seperti yang kami miliki.”
Laboratorium MDRI adalah laboratorium kelima yang didirikan oleh UL Research Institutes, yang masing-masing memiliki fokus berbeda (seperti keamanan bahan kimia atau digital) dan diselenggarakan berdasarkan konsep memajukan penelitian tanpa batas yang sering ditemukan di fasilitas perusahaan atau akademik lainnya.
“Kami berkomitmen terhadap open source dalam sains kami,” kata Miller. “Kami tidak ingin menghasilkan pendapatan. Kami ingin dapat memajukan ilmu pengetahuan.” MDRI memiliki 18 staf ilmuwan, dan Miller memperkirakan jumlah tersebut akan meningkat dua kali lipat dalam beberapa tahun mendatang.
Menghasilkan Energi, Air, dan Udara Bersih
Tujuan yang jelas dari laboratorium MDRI adalah untuk menyediakan bahan-bahan yang dapat membantu produksi energi skala besar guna membantu memenuhi Perjanjian Paris 2015, sebuah perjanjian perubahan iklim yang ditandatangani oleh hampir 200 negara yang bertujuan untuk mengurangi gas rumah kaca sebesar 43% pada tahun 2030.
“Untuk melakukan hal ini, kita perlu beralih dari minyak dan gas sambil menjaga kualitas hidup yang kita miliki dan memungkinkan populasi untuk terus bertambah dan mengentaskan orang dari kemiskinan,” kata Miller. Meskipun hal ini terdengar seperti tugas yang sulit, dia tetap optimis dengan arah yang kita tuju.
“Saat ini kita berada dalam keadaan di mana energi terbarukan dan penyimpanannya sebenarnya lebih murah dibandingkan energi dari minyak dan gas – dan hal ini hanya membutuhkan waktu dua dekade, sementara minyak dan gas sudah ada sekitar 170 tahun.”
Melakukan lompatan dalam produktivitas akan memaksa para ilmuwan melakukan pekerjaan yang lebih baik dengan berkolaborasi antar disiplin ilmu.
“Saya pikir jika Anda memiliki orang-orang dengan keahlian yang sama dan melihat masalah yang sama, Anda akan mendapatkan jawaban yang sama,” kata Miller. “Masalah yang sedang kami lihat – kami tidak punya waktu 20 tahun untuk menyelesaikannya; kita perlu menyelesaikan masalah ini dalam waktu yang sangat, sangat singkat.
“Kita membutuhkan perbedaan keahlian dan cara berpikir yang berbeda. Lembaga ini akan mempekerjakan banyak individu, termasuk ilmuwan material, tetapi juga insinyur kimia, insinyur elektrokimia, ilmuwan data, dan insinyur perangkat lunak. Salah satu alasan saya bergabung dengan UL adalah karena kami tidak bekerja dalam silo; kami berkolaborasi, dan kami berkolaborasi secara global, untuk dapat memecahkan masalah.”
Dalam hal udara dan air bersih, penelitian di MDRI akan fokus pada penemuan bahan yang dapat menghilangkan unsur-unsur yang tidak diinginkan melalui perangkat seperti membran. Di Kenya, lembaga ini bekerja sama dengan perusahaan lokal untuk membantu menghilangkan kadar arsenik, kromium, dan klorin yang tinggi dari air minum. Permasalahan serupa juga terjadi di negara ini, dimana pemerintah kota menangani pipa-pipa timah kuno dalam infrastruktur air mereka.
“Kami dapat merancang bahan yang secara selektif menyerap timbal dan menghilangkan timbal dari air minum,” kata Miller. Mereka juga bereksperimen dengan solusi yang lebih baik untuk wilayah seperti California yang kekurangan air bersih namun memiliki banyak air asin. Teknologi desalinasi sudah ada, namun cenderung mahal dan boros energi.
“Kami sedang mencari bahan yang dapat memperbaiki membran itu,” katanya. “Tetapi kami juga mencari bahan penyimpan energi dan pembangkit energi baru sehingga kami dapat membuat proses tersebut dari sudut pandang energi lebih murah.”
Bagi Miller, peningkatan fokus pada keberlanjutan memberinya rasa optimisme terhadap masa depan.
“Penyumbang besar polusi, semua perusahaan petrokimia besar – semuanya – mengubah model bisnis mereka menuju keberlanjutan,” katanya. “Bagi saya ini sangat menggembirakan. Saya benar-benar yakin masalah ini akan terselesaikan pada generasi berikutnya. Yang kami lakukan sekarang adalah membangun infrastruktur yang memberikan platform untuk menyelesaikan permasalahan tersebut.”
