Aerosolitekniikka tarjoaa uusia mahdollisuuksia materiaalien valmistukseen ja mukailee vihreän kemian periaatteita.
Aerosolitekniikalla tuotetuista uusista materiaaleista apua kestävään kehitykseen ja hiilineutraaliin yhteiskuntaan
– Kestävän kehityksen ja sen sisältämän kiertotalouden ideana on, että mitään arvokasta ei heitetä suoraan roskiin, vaan otetaan se uudelleen käyttöön ja luodaan uusia hiilineutraaleita ratkaisuja, sanoo aerosolitekniikan professori Anna Lähde ympäristö- ja biotieteiden laitokselta.
– Näin kuormitamme ympäristöä mahdollisimman vähän, säilytämme elintasomme ja parannamme sitä myös kolmansissa maissa.
Lähteen tutkimusala aerosolitekniikka liittyy monin tavoin kestävään kehitykseen. Tekniikkaa voidaan hyödyntää kestävän kehityksen materiaalien tuotannossa, sillä sen avulla materiaaleja voidaan tuottaa tehokkaasti ja optimoida niiden ominaisuuksia. Näitä materiaaleja voidaan hyödyntää muun muassa energian varastoinnissa, hiilidioksidin talteenotossa sekä veden puhdistuksessa. Tämä tukee tavoitteita, jotka liittyvät kestävään kehitykseen, kiertotalouteen ja hiilineutraaliin yhteiskuntaan.
– Ajauduin valmistuttuani aerosolien pariin, ja siitä lähtien tutkinut aerosoleja eli erilaisia hiukkasia, jotka leijuvat kaasussa. Tutkin erityisesti sitä, miten aerosoleja ja aerosolitekniikkaa voidaan hyödyntää materiaalisynteeseissä ja miten materiaalien ominaisuuksia voidaan optimoida eri sovelluksia varten, hän kertoo.
– Näille materiaaleille löytyy lukuisia eri sovelluskohteita, mutta meidän ryhmämme on keskittynyt erityisesti energian varastointiin, eli Li-ioniakuissa ja tulevaisuuden akuissa käytettäviin materiaaleihin. Tutkimme myös korkean pinta-alan materiaaleja ja katalyytteja, joita voidaan hyödyntää muun muassa hiilidioksidin talteenotossa ja vedenpuhdistuksessa.
Lähde on väitellyt kemian alan tohtoriksi Jyväskylän yliopistosta ja työskennellyt muun muassa VTT:lla useita vuosia. Hän tuli post doc -tehtävään Kuopion yliopistoon vuonna 2008 projektiin, jossa selvitettiin piin hyödyntämistä litiumioniakuissa.
– Siitä lähtien olen työskennellyt Itä-Suomen yliopistossa ja tutkinut samanlaisia asioita. Vuonna 2017 sain Suomen Akatemian akatemiatutkijan viisivuotisen rahoituksen, jossa keskityimme erityisesti biopohjaisten hiilen rakenteiden kehitykseen.
Lähteen tutkimusryhmässä tehdään perustutkimusta, mutta kuitenkin sovellukset tarkasti mielessä. Yritysyhteistyö on tärkeää – pitää miettiä oikeasti mitä teollisuus ja yritykset tarvitsevat.
– Tällä hetkellä meidän ryhmämme tutkimus on keskittynyt yleisesti vihreän kemian ja kestävän kehityksen periaatteilla tuotettuihin materiaaleihin ja niiden sovelluksiin.
Akkujen kesto paranee ja niiden kierrätys tehostuu
Entistä tehokkaampia ratkaisuja pitäisi löytää esimerkiksi energian varastointiin. Uudet akkumateriaalit ovat tällä hetkellä erittäin kiinnostavia.
Lähteen mukaan liikennettä, erityisesti sähköautoilua, olisi kehitettävä kestävällä tavalla, ilman että tuotantoketjun toisessa päässä syödään luonnonvaroja.
Jos meillä kaikilla on sähköautot, jotka toimivat nykyisillä akkuratkaisuilla, luonnonvarat eivät tule riittämään.
Anna Lähde
Professori
– Tätä varten tarvitaan vaihtoehtoisia materiaaliratkaisuja, jotka voivat korvata akuissa nykyisin käytössä olevia materiaaleja. Tästä esimerkkinä on puubiomassan käyttö synteettisen grafiitin korvaajana. Lisäksi tarvitaan tietysti materiaalien tehokasta kierrätystä, hän sanoo.
Lähteen tutkimusryhmä vie tätäkin tutkimusta edelleen eteenpäin Business Finlandin rahoittamassa BATCircle2 -hankkeessa. Ryhmässä kehitetään myös uusia ratkaisuja, niin sanottuja seuraavan sukupolven litium-rikkiakkuja, jotka tulevat tulevaisuudessa tarjoamaan entistä tehokkaampia tapoja varastoida energiaa. Litium-rikkiakuissa on kuitenkin vielä haasteita, eikä niitä käytetä laajasti kaupallisesti, joten kehitettävää riittää.
– Etunahan LiS-akuissa on niiden korkea energiatiheys verrattuna nykyisiin akkuihin. Materiaalisynteesin avulla pitäisi saada tehtyä rakenne, joka pystyisi pitämään rikin paremmin rakenteessa, jolloin akun elinikä saataisiin riittävän pitkäksi, Lähde toteaa.
Toinen puoli kestävissä materiaaleissa on myös auton akkujen kierrätys, miten kaikki materiaalit saadaan talteen. Akkujen kierrätyksessä arvokkaat materiaalit on saatava eroteltua toisistaan.
– Nikkeli, koboltti ja mangaani saadaan helposti talteen, mutta myös hiili pitäisi saada talteen. Li-ioniakuissa käytettävän grafiitin pitää kuitenkin olla erittäin puhdasta, yli 99.95 prosenttia, mikä aiheuttaa haasteita käytetyistä akuista saatavan grafiitin uudelleen hyödyntämiselle. Meidän ryhmässämme on kehitteillä terminen menetelmä, jonka avulla nämä puhtausvaatimukset voidaan saavuttaa.
– Akkumateriaalien osalta tutkimus etenee nopeaa tahtia. Meillä on tällä hetkellä meneillään kaksikin projektia erityisesti anodimateriaalien osalta. Selvitämme, miten aerosoleja ja korkean lämpötilan prosesseja voidaan hyödyntää, ja miten akuissa käytettyjä materiaaleja saadaan uudestaan käyttöön, Lähde sanoo.
Tulokset ovat lupaavia, ja niiden avulla voidaan toivottavasti parantaa raaka-aineiden riittävyyttä koko Euroopassa.
– Lisäksi tämä tietysti vaikuttaa Suomen ja myös Euroopan kilpailukykyyn.
Vihreä kemian avulla uusia ratkaisuja hiilidioksidin kaappaamiseen
Uusien energiaratkaisuiden lisäksi tarvitaan menetelmiä, kuten hiilidioksidinkaappausta, joilla voidaan osaltaan vähentää kasvihuonekaasujen määrä ilmakehässä, ja sitä kautta teknisesti mahdollistaa nykyiset elintapamme.
Lähteen tutkimusryhmässä kehitetyt aerosoliprosessit ovat menetelmänä yksinkertaisia: niillä voidaan helposti tuottaa muun muassa nanohiukkasia ilman suuria liuotinmääriä, jolloin tuotannossa syntyvät kemikaalikuormitukset vähenevät.
– Kehitetyt nanomateriaalit, kuten titaanidioksidi, voivat toimia muun muassa fotokatalyytteinä. Ne mahdollistavat auringonvalon avulla monia reaktioita, jotka puolestaan voivat pienentää hiilijalanjälkeä, Lähde sanoo.
Seuraava askeleet tutkimuksessa ovat uudet, entistä tehokkaammat materiaalit, jotka pystyvät kaappaamaan hiilidioksidia. Sen määrää vähentämällä pystytään toivottavasti myös hillitsemään ilmaston lämpenemistä.
ANNA LÄHDE
Professori, aerosolitekniikka, 1.9.2023 alkaen toistaiseksi
Apulaisprofessori, Itä-Suomen yliopisto, 2019–2023
Suomen Akatemian Akatemiatutkija 2017–2022
Dosentti (Fine Particle and Aerosol Chemistry), Itä-Suomen yliopisto, 2014
Filosofian tohtori (kemia), Jyväskylän yliopisto, 2000–2008
Tärkeimmät tehtävät:
- Kestävän kehitysten mukaisten materiaalien tutkimus & kehitys ja tutkimusinfrastruktuurin kehitys.
- Aiheeseen liittyvä opetus ja opiskelijoiden ohjaus ja tutkimusryhmän vetäminen.
- Kattava ja läheinen yhteistyö sekä kotimaisten että ulkomaisten tutkimusorganisaatioiden ja yritysten kanssa.
