“Hiilineutraali tulevaisuus ei ole realistinen nykyisin keinoin” – mitä annettavaa uudenlaisilla materiaaliratkaisuilla on?

Ilmastonmuutos muuttaa ja tulee muuttamaan maapallon olosuhteita dramaattisesti, ellemme pysty löytämään ratkaisuja sen hillitsemiseksi. Suuria muutoksia täytyy tehdä ennen kaikkea energian tuotannossa, kulutuksessa ja liikenteessä.

Suurimmaksi ongelmaksi on muodostumassa, ettei kukaan ole valmis luopumaan oikeastaan mistään. Elämäntapojen muuttaminen on erittäin vaikeaa.

Voisiko luonnontieteiden keinoin löytää sellaisia vaihtoehtoisia ratkaisuja, joiden avulla voisimme jatkaa elämäämme niin kuin tähänkin asti?

Luultavasti ei, mutta kemiaan ja fysiikkaan pohjautuvien uudenlaisten materiaalitekniikan ratkaisujen avulla hiilijalanjälkeä on mahdollista pienentää selvästi nykyistä radikaalimmin.

Ratkaisut perustuvat liikaa kriittisten raaka-aineiden käyttöön

Monet nykyisin käytössä olevista teknisistä ratkaisuista ilmastonmuutoksen torjumiseksi eivät ole riittäviä, koska ne vaativat massiivisia määriä ehtyviä luonnonvaroja. Esimerkiksi voimakkaasti kasvava sähköinen liikenne ja siihen liittyvät sähköautot ovat tästä esimerkki.

Sähköautojen osalta ongelmana on akkujen valmistaminen ilman nykyisen kaltaista ympäristökuormaa. Lisäksi sähköautojen käyttämä sähkö pitäisi pystyä tuottamaan puhtaasti ilman hiiltä eli tuuli-, aurinko- ja muiden uusiutuvien energianlähteiden avulla. Uusiutuva energia vaatii kuitenkin toimivia akkuratkaisuja.

Litiumioniakut sisältävät paljon arvokkaita luonnonvaroja kuten kobolttia, nikkeliä, litiumia ja grafiittia eli hiiltä. Koboltti, litium ja grafiitti ovat jo tällä hetkellä luokiteltu kriittisiksi raaka-aineiksi, koska niiden määrä ja saatavuus on rajoitettu. Lisäksi suuri osa luonnonvaroista sijaitsee maissa, jotka eivät huolehdi ympäristöstään tai työntekijöiden turvallisuudesta.

Uusien materiaaliratkaisuiden avulla voimme tulevaisuudessa vähentää riippuvuutta kriittisistä aineista kuten grafiitista ja samalla pienentää ympäristön kuormitusta. Mitä nämä uudet materiaaliratkaisut ovat?

Uusia materiaaleja sähköautojen akkuihin

Uudenlainen tutkimus ja tuotekehitys mahdollistaa hiilineutraalien lähtöaineiden ja energiatehokkaiden valmistusmenetelmien hyödyntämisen

Hankkeessamme olemme onnistuneet kehittämään ratkaisuja, mitkä mahdollistavat maatalouden sivutuotteiden kuten ohran oljen ja paperiteollisuudessa muodostuvan ylijäämäligniinin hyödyntämisen hiilen eri rakenteiden lähtöaineina.

Näin on mahdollista valmistaa grafiitin ja grafeenin kaltaisia rakenteita, jotka soveltuvat erityisen hyvin esimerkiksi sähköautoissa käytettävien litiumioniakkujen anodimateriaaliksi tai materiaaliksi niin sanottuihin seuraavan sukupolven akkuratkaisuihin. Seuraavan sukupolven akkuratkaisujen avulla energiaa voidaan varastoida entistä tehokkaammin.

Erityisesti grafeeni, joka on yhden atomikerroksen paksuinen hiilimatto, on saanut paljon huomiota ominaisuuksiensa ansiosta. Grafeeni on painoonsa nähden erittäin luja ja kestävä materiaali. Se johtaa myös hyvin sähköä sekä on taipuisa ja läpinäkyvä.

Taipuisuus on erityisen tärkeä ominaisuus nimenomaan monien sovellusten kuten akkujen näkökulmasta – kukapa ei haluaisi puhelintansa tai tablettiaan mahdollisimman pieneen tilaan.

Jotta ohran olkea, biomassaa tai jotain muuta hiilipitoista lähtöainetta voidaan hyödyntää sovelluksissa, kuten akuissa, siitä on kuitenkin ensin poistettava epäpuhtaudet. Tämän jälkeen voidaan siirtyä varsinaiseen hiilestykseen.

Itä-Suomen yliopistossa käytössä oleva induktiokuumennus mahdollistaa hiilestyksen jopa 2600 celsiusasteen lämpötilassa. Korkea lämpötila mahdollistaa erittäin puhtaiden ja järjestäytyneiden hiilirakenteiden kuten grafiitin ja grafeenin muodostumisen.

Toistaiseksi grafeenia ei ole kuitenkaan mahdollista käyttää akkujen materiaalina. Pitkään jatkuneesta, intensiivisestä tutkimuksesta huolimatta, grafeeni on edelleen liian kallista ja laatuvaihtelut suuria.

Kun valmistaminen on mahdollista pienemmin kustannuksin ja selkeimmin laatustandardein, grafeenista on kuitenkin mahdollista saada täysin uudenlainen hiilineutraali materiaali akkuja varten.

Hiilineutraalit materiaalit mahdollisuutena

Kun kestävän kehityksen mukaisten materiaalien tutkimuksessa on onnistuttu kehittämään hiilimateriaaleja, tulevaisuudessa on mahdollista vähentää huomattavasti riippuvuutta esimerkiksi Kiinasta tuotavasta grafiitista.

Suomessa on paljon osittain hyödyntämätöntä biomassaa, sen hyötykäyttö on siten myös taloudellisesti hyvin kannattavaa ja parantaa onnistuessaan Suomen kilpailukykyä. Hyödyntämällä uusiutuvia, biomassapohjaisia lähtöaineita ja muuta hiilipitoista jätettä, on samalla mahdollista vähentää ympäristön kuormitusta.

Hiilineutraaleita materiaaleja voidaan valmistaa tulevaisuudessa myös suoraan hiilidioksidista. Ratkaisuja pyritään löytämään muun muassa Suomen Akatemian rahoittamassa projektissa.

Poltossa vapautuvan hiilidioksidin kaappauksen keinot ovat jo tiedossa, mutta ne eivät kuitenkaan ole olleet vielä taloudellisista kannattavia. Uusien, entistä tehokkaampien materiaaliratkaisuiden avulla hiilidioksidin kaappaaminen suoraan jopa ilmasta ja sen muuntaminen edelleen erilaisten hiilipohjaisten materiaalien kuten hiilinanoputkien, grafeenin ja grafiitin raaka-aineeksi on todennäköisesti mahdollista lähitulevaisuudessa.

Hiilidioksidi on erittäin pysyvä yhdiste ja sen pelkistäminen ei ole helppoa. Tämän vuoksi tarvitaan uudenlaisia katalyyttejä, eli aineita, jotka nopeuttavat kemiallista reaktiota ja pystyvät reagoimaan juuri hiilidioksidin kanssa sekä poistamaan siltä hapen. Tekniikka on vielä kehitteillä, mutta tarjoaa yhden ratkaisun, jonka avulla voidaan hillitä ilmaston lämpenemistä.

Materiaaliratkaisujen lisäksi ajattelutapojen täytyy muuttua

Luonnontieteiden ja erityisesti materiaalitutkimuksen avulla voidaan siis löytää uusia ja toimivia ratkaisuja ilmastonmuutoksen hillintään.

Suuri kysymys kuitenkin edelleen on, kuinka nämä ratkaisut saadaan kaikkien ulottuville. Siksi tarvitaan politiikkaa. Se jakaa lainsäädännön ja taloudellisin keinoin resursseja ihmisille ja yhteisöille ottaa käyttöön uusia ratkaisuja. Lisäksi tutkimukseen suunnattujen resurssien pohjana ovat poliitikkojen taloudelliset päätökset.

Samalla kun kehitämme luonnontieteiden avulla uusia materiaaliratkaisuita, meidän on muutettava myös kulutustamme ja ajattelutapaamme. On aika puhaltaa niin sanotusti yhteiseen hiileen, jotta ilmastonmuutoksen aiheuttamat ongelmat saadaan ratkaistua.

Anna Lähde
Akatemiatutkija, aerosolitekniikan apulaisprofessori
Ympäristö- ja biotieteiden laitos, Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio, Fine Particle and Aerosol Technology Laboratory (FINE), Itä-Suomen yliopisto

Artikkeli on julkaistu alunperin MustRead Akatemia -palvelussa (24.1.2022).