‘Verduurzaming in de chemie is voor flink wat producten veel complexer, vergeleken met uitdagingen in de energietransitie. Bij elektriciteit maakt het niet uit of elektronen die door je computer stromen van een windturbine of een kolencentrale komen. Maar als je op aardolie gebaseerde bouwstenen in zeep, verf of medicijnen wilt vervangen door moleculen uit biologische reststromen, wordt het een stuk ingewikkelder. Dat geldt specifiek voor producten die zijn opgebouwd uit mengsels van complexe moleculen.’
Hoogleraar fysisch-organische chemie Wilhelm Huck van de Radboud Universiteit Nijmegen opereert aan de wetenschappelijke frontlinie van wat je gerust de grootste opgave voor de verduurzaming van de economie in de komende vijfentwintig jaar kunt noemen. ‘Het gaat niet alleen om een academische koerswijziging, maar vooral ook om een industriële omslag’, zegt hij.
Eén van de belangrijkste opgaven is hoe je alledaagse producten als zeep en verf met behoud van hoge kwaliteit grootschalig produceert zónder aardolie. Huck denkt dat de sleutel ligt bij het drastisch versnellen van onderzoeksprocessen in de chemie met behulp van ‘robotlabs’ en kunstmatige intelligentie (AI). Dat is ook de kern van het project Big Chemistry (zie kader), waarvoor hij als wetenschappelijk directeur fungeert.
Lees ook: Chemie-startup Relement wil verf fossielvrij maken: ‘We lopen voor de troepen uit’
Huck werkt nauw samen met zo’n vijfentwintig collegawetenschappers aan de universiteit in Eindhoven, Nijmegen, Groningen en bij onderzoeksinstituut Amolf. Daarnaast is hij bestuurslid van de stichting Big Chemistry, samen met Marcel Wubbolts en Stan Gielen.
Gielen voert als voorzitter van de stichting onder meer de regie over het koppelen van wetenschappelijke innovatie aan impact voor het bedrijfsleven. ‘De interesse vanuit het bedrijfsleven is behoorlijk groot; we hebben inmiddels contacten met zo’n vijftig bedrijven die gebruik willen maken van onze R&D-faciliteiten voor pilotprojecten.’
Big Chemistry: AI en robotlabs
Big Chemistry is een samenwerkingsverband van drie universiteiten (Radboud Universiteit Nijmegen, TU Eindhoven en Rijksuniversiteit Groningen), onderzoeksinstituut Amolf en de Fontys Hogeschool in Eindhoven. Het project startte eind 2023 en loopt tot 2030, gesteund door een subsidie van 97 miljoen euro van het Nationaal Groeifonds.
De volautomatische chemische laboratoria (robotlabs) zijn een belangrijk onderdeel van het project. Daar worden continu tests gedaan met bijvoorbeeld basisoplossingen voor het produceren van mengsels. De testresultaten leveren hoogwaardige data op over de samenstelling en eigenschappen van mengsels, waarmee AI-modellen kunnen worden getraind.
Doel is dat de AI-modellen daardoor betere voorspellingen gaan doen over potentiële nieuwe mengsels en de daarvoor benodigde complexe moleculen. Op basis van de output van AI-modellen kunnen ook weer praktijktests worden gedaan in de robotlabs. Zo kan de cyclus van chemisch onderzoek drastisch worden versneld.
Het onderzoek van Big Chemistry richt zich op toepassingen voor persoonlijke verzorging (o.a. zeep), de verfindustrie, medicijnen en voeding. Er zijn enkele onderzoeksprojecten met bedrijven uit deze sectoren. Daarnaast kunnen ondernemingen voor hun R&D-activiteiten testaanvragen doen bij de robotlabs van Big Chemistry.
Tot de doelen van het project behoren onder andere het opleveren van nieuwe duurzame producten, de verduurzaming van bestaande producten en een besparing van 10 miljoen euro op de R&D-kosten van bedrijven. Daarnaast moeten 225 mensen worden opgeleid op het gebied van data- en AI-gedreven chemie.
AI nog niet slim genoeg
Een belangrijke uitdaging voor de toepassing van AI in de chemie is de beschikbaarheid van hoogwaardige data, legt Huck uit. ‘Het is in de scheikunde lastig om goed te voorspellen wat er met bijvoorbeeld de kwaliteit van verven en coatings gebeurt als je de samenstelling van mengsels aanpast. Een manco van huidige AI-modellen is dat ze hoofdzakelijk worden gevoed met taaldata. Je hebt veel meer chemische data nodig voor een beter begrip van complexere moleculen en mengsels. Daarvoor zijn de robotlabs belangrijk.’
Hoewel Big Chemistry zich inhoudelijk beperkt tot toepassingen die liggen in de hoek van verfproducten, persoonlijke verzorging, medicijnen en voedingsingrediënten, zijn er wel raakvlakken met andere initiatieven die zich richten op de inzet van AI voor chemisch onderzoek.
Zo is er contact met de startup CuspAI van hoogleraar Max Welling, die afgelopen jaar 100 miljoen dollar aan groeifinanciering ophaalde. CuspAI richt zich onder meer op een aantal belangrijke onderwerpen op het gebied van duurzaamheid, zoals het identificeren van materialen die op een efficiëntere manier CO2 uit de lucht filteren (metal-organic frameworks).
Lees ook: Max Welling (CuspAI): ‘Ik voel de verantwoordelijkheid om Europa op de kaart te houden’
‘Je kunt AI-modellen inzetten om potentieel geschikte nieuwe materialen te identificeren, maar het helpt daarvoor enorm als je betere chemische data hebt’, zegt Huck. ‘Efficiënte testfaciliteiten zijn ook cruciaal om te bepalen of nieuwe formules in de praktijk werken. Daarin kun je elkaar ondersteunen.’
Voordeel robotlabs voor bedrijven
De robotlabs van Big Chemistry bieden een nieuwe infrastructuur waar verschillende bedrijven gebruik van kunnen maken. Huck: ‘Voor individuele bedrijven is het vaak duur om zo’n lab zelfstandig op te zetten. We richten ons op thema’s die voor verschillende ondernemingen interessant zijn om de waarde van de laboratoria te vergroten.’
Ondernemingen kunnen in de vroege R&D-fase ideeën testen in de labs. ‘Als daar interessante resultaten uit voortvloeien, kunnen bedrijven zelf vervolgstappen zetten. Omdat ze dan al meer weten over een nieuwe aanpak, wordt het investeringsrisico lager.’
Binnen Europa zijn de activiteiten van Big Chemistry potentieel van grote strategische waarde, gelet op de uitdagingen waar de chemiesector voor staat. Onder meer in Rotterdam voelt de basischemie zware concurrentiedruk uit China, terwijl er tegelijk een noodzaak is om te verduurzamen.
‘Kwaliteit uitzonderlijk hoog’
Hoe onderscheidend is de combinatie van robotlabs en AI als je kijkt naar wat er buiten Europa gebeurt? Voorzitter Gielen van Big Chemistry zegt dat er inmiddels vergelijkbare projecten zijn gelanceerd, onder meer in Canada en China. ‘Wat betreft de innovatiekracht doet Big Chemistry het helemaal niet slecht. In onze robotlabs kun je bijvoorbeeld in drie minuten tests doen die voorheen een paar dagen in beslag namen. Dat is een enorme vooruitgang.’
‘Tegelijk is het zo dat we hier drie labs hebben van elk zo’n twintig bij twintig meter, terwijl er in China momenteel robotlabs worden gebouwd die per stuk de omvang van een voetbalveld hebben. Het niveau van de investeringen is daar van een andere orde.’
Toch zijn Nederland en Europa hiermee niet bij voorbaat kansloos, zegt Gielen. ‘De kwaliteit van het wetenschappelijk onderzoek is hier uitzonderlijk hoog en dat bepaalt mede hoe effectief de inzet van zelfsturende labs en AI is.’
Tekenend is dat er vanuit China interesse is voor de activiteiten van Big Chemistry. Gielen: ‘Aan de ene kant is dat natuurlijk positief, want je wilt als wetenschap de mensheid in brede zin dienen. Maar het is uiteraard niet de bedoeling dat de commerciële waarde van kennis die hier wordt ontwikkeld, weglekt naar landen als China. Dus daar gaan we wel voorzichtig mee om.’
Strategisch belang voor Europa
Volgens Gielen is het essentieel dat er binnen Europa een nieuw ecosysteem wordt opgebouwd voor een duurzame chemische industrie. ‘We kijken met Big Chemistry al naar mogelijkheden om een gemeenschappelijke basis te creëren met wetenschappelijke instituten in Duitsland, zodat databases onderling toegankelijk en uitwisselbaar worden. Positief is ook dat we binnen het project al 150 mensen hebben opgeleid op hbo- en universitair niveau.’
Als Europa de toekomst van de eigen chemiesector serieus neemt, moeten overheden wat Gielen betreft de komende jaren doorpakken met gerichte financiële steun. ‘De resultaten van ons eigen project stemmen hoopvol, maar het zou zeer jammer zijn als dat bijvoorbeeld in 2030 stopt. Ik wil er daarom nu al voor pleiten bij de Nederlandse regering om ook daarna strategisch te investeren in dit type projecten, met een duidelijke kruisbestuiving tussen wetenschap en bedrijfsleven. Dan kun je ervoor zorgen dat we in Europa een duurzame en autonome basis ontwikkelen voor de chemische industrie.’
Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Change Inc.
