Vihreä siirtymä vaatii uusia keinoja
Miten saataisiin hukkalämmöstä sähköä, tai voisivatko aurinkopaneelit olla huomattavasti tehokkaampia kuin nyt?
Voisiko hukkalämpöä käyttää nykyistä paremmin hyödyksi? Tätä tutkivat fil. tohtori Antti Karttusen ja tekn. tohtori Maarit Karppisen tutkimusryhmät Aalto-yliopistosta.
Suomen kulttuurirahasto on myöntänyt 1,25 miljoonaa euroa teemaan ”uudet materiaalit ja teknologiat vihreään siirtymään”. Karttusen ja Karppisen työryhmät ovat mukana apurahan saajissa.
”Tutkimme, miten hukkalämpöä voi muuttaa sähköenergiaksi”, Karttunen sanoo.
Jos esimerkiksi joku polttaa takassa puuta lämmitysenergiaa säästääkseen, voisiko hän kerätä ylimääräisen lämmön, muuttaa sen sähköksi ja ladata sillä kännykän?
Tätä tutkijat selvittävät. Esimerkiksi tietokonesalit tuottavat valtavasti lämpöä, mutta yleensä se tuuletetaan taivaan tuuliin. Suomessa sitä käytetään lämmitykseen talvella, mutta muulloin ja muualla maailmassa se on lähinnä hukkalämpöä.
Näin ei tarvitsisi olla. Tutkijoiden kiinnostuksen kohteena on atomikerroskasvatus, jonka avulla voidaan tehdä ohuita kalvoja. Niiden avulla lämmöstä saadaan sähköä.
Karttunen esittelee kännykkää pienempää laitetta, joka pystyy muuttamaan lämmön sähköksi jo nyt.
”Kun takka lämpiää, voisiko lämmöstä kerätä energiaa myös kännykän akun lataamiseen?”
Teknologia on jo 50 vuotta vanha, mutta siinä on kaksi ongelmaa. Laite ei ensinnäkään ole kovin tehokas, ja toiseksi sen sisällä on harvinaisia metalleja, joiden takia tekniikkaa ei voi monistaa joka paikkaan.
Nämä ongelmat Karppinen ja Karttunen tahtovat ratkaista, jotta tekniikka voisi levitä kaikkialle.
”Haluamme käyttää tässä jotakin maankuoren yleistä materiaalia, kuten rautaa”, Karttunen sanoo. Laitteessa nyt käytettävät metallit ovat myös myrkyllisiä. Tutkijat etsivät siksi turvallista materiaalia.
Hukkalämpöä on vaikka missä
Sähköauton akku tuottaa hukkalämpöä, samoin teollisuus, tietokonesalit ja jopa ihmisen keho. Ehkä atomikerroskasvatuksella tuotetun kalvon voisi lisätä treenipaitaan, ja salitreenin aikana kertyvän lämmön käyttää sähkönä kännykän lataamiseen?
”Lämmön kerääminen treenipaidoista on tietenkin vasta pientä. Mutta esimerkiksi sähköautojen akut ja tietokonekeskukset tuottavat paljon lämpöä, joka menee suurimmassa osassa maailmaa hukkaan.”
”Terästä voi kohta valmistaa ilman hiilidioksidipäästöjä, mutta hukkalämpöä prosessista syntyy silti.”
Aiemmin mainitut ongelmat pitää ratkaista, ennen kuin mitään isoa voidaan edes tehdä. Mistä siis yleinen, turvallinen materiaali löytyy ja miten laitteesta tehdään mahdollisimman tehokas?
Tutkimusryhmällä on käytössään noin metrin levyinen, korkuinen ja syvyinen atomikerroskasvatuslaitteisto, johon voi panna sisään kokeilupalan ja kuorruttaa sen kalvolla, joka kerää lämmön ja muuttaa sen sähköksi.
”Nyt puhutaan paljon vihreän teräksen valmistuksesta. Kohta teräksen valmistuksessa pystytään käyttämään vetyä, eikä siitä tule enää hiilidioksidipäästöjä. No, ei tulekaan, mutta edelleen siitä tulee valtavat määrät hukkalämpöä”, Karttunen sanoo.
Uudenlaisia aurinkokennoja
Vihreää siirtymää auttavat eteenpäin myös professorit Jussi Toppari ja Gerrit Groenhof tutkimusryhmineen Jyväskylän yliopistosta. He kehittävät saman rahoituksen avulla paljon aiempaa tehokkaampia ja myös ekologisempia aurinkokennoja.
Tällä hetkellä aurinkokennoja on kahdenlaisia: orgaanisia ja puolijohdepohjaisia.
Orgaanisten kennojen hyötysuhde on vain hieman yli kymmenen prosenttia. Katoilla näkyy lähinnä puolijohdekennoja, koska ne ovat paljon orgaanisia tehokkaampia ja kestävämpiä, mutta kovin tehokkaita nekään eivät ole. Tyypilliset piipohjaiset kennot keräävät talteen ja ohjaavat eteenpäin noin 30 prosenttia auringon säteilemästä energiasta.
Toppari ja Groenhof haluavat vielä tätäkin pidemmälle. He haluavat kerätä isolta alalta energian yhdelle tai muutamalle molekyylille ja siitä talteen.
”Saamme jo molekyylit siirtämään valosta saamaansa energiaa todella tehokkaasti yhdelle molekyylille isolta alueelta. Pullonkaula on se, miten energia saadaan tästä eteenpäin”, Toppari sanoo.
Tavoite: lisää tehoa
Nyt puhutaan hyvin pienistä asioista, nanomittakaavasta. Nanometri on metrin miljardisosa.
On paljon molekyylejä, jotka voivat vastaanottaa fotoneja eli absorboida valoa. Fotonin vastaanotettuaan molekyyli virittyy. Se pystyy luovuttamaan tämän viritysenergian eteenpäin joko toiselle molekyylille tai esimerkiksi luovuttamaan elektronin, jolloin syntyy sähkövirtaa. Tällä tavalla jotkut orgaaniset aurinkokennot toimivat.
”Uusi keksintö mahdollistaa erittäin nopean energiansiirron molekyylien välillä.”
”Me viemme tätä eteenpäin niin, että valo ei absorboidukaan suoraan molekyyleihin, vaan se saadaan kytkeytymään metallisiin nanorakenteisiin. Silloin valo muuttuu pintaplasmoniksi, joka kytkeytyy huomattavasti voimakkaammin ja useaan molekyyliin yhtaikaa.”
Tällöin pintaplasmoni muodostaa yhteisen tilan molekyylien kanssa ja energia jakautuu näiden kesken. Tämä mahdollistaa erittäin nopean energiansiirron molekyylien välillä. Ominaisuutta on tarkoitus hyödyntää uudessa kennossa.
Tutkijat ovat jo saaneet näytettyä, että valo voi kiinnittyä useampiin molekyyleihin. Tämä kolmivuotinen apurahakausi keskittyy siihen, miten energia saadaan eteenpäin, kun se on kerätty.
”Tässä ajassa on mahdollista rakentaa prototyyppi ja osoittaa, että homma toimii.”
