Epäorgaaninenkin on luomua – uusilla materiaaleilla kestävään kehitykseen
ALIO
Monet ostavat mielellään orgaanisia tuotteita, luomua. Kemistin kannalta ajateltuna luomu on kuitenkin yhtä epäorgaanista kuin muukin ruoka. Itse asiassa kaikki elollinen ja eloperäinen on hyvin epäorgaanista. Esimerkiksi ihmisestä kaksi kolmasosaa on vettä, joka on yksi tärkeimmistä epäorgaanisista yhdisteistä. Kasveissa vettä voi olla jopa yli 90 prosenttia. Samoin happi on elämän ylläpidon kannalta välttämätön epäorgaaninen aine. Yhdessä kolmannen epäorgaanisen yhdisteen, hiilidioksidin, ja orgaanisen sokerin kanssa nämä muodostavat eliöiden hengittämisestä ja kasvien yhteyttämisestä huolta pitävän järjestelmän.
Vaikka luomutuotteita ja kierrätystä nykyään suositaan, luonnon järjestelmä joutuu toimimaan ylikierroksilla ihmisten ylikuluttamisen vuoksi. WWF:n mukaan maapallon vuosittainen biokapasiteetti ylittyy yleensä jo elokuussa, jolloin planeettamme vuotuinen kyky tuottaa uusiutuvia luonnonvaroja sekä käsitellä fossiilisten polttoaineiden päästöjä on saavutettu.
Energian ja materiaalien tarve kuitenkin lisääntyy jatkuvasti. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että ihmiskunnan pitää jatkossa pystyä tuottamaan sekä energiaa että materiaaleja kuluttaen luontoa selvästi vähemmän kuin tähän asti. Näihin ongelmiin tarvitaan siis kipeästi kestävän kehityksen mukaisia ratkaisuja.
Turun yliopistossa epäorgaanisen materiaalikemian tutkimus etsii näitä ratkaisuja. Kehityksen kohteena ovat fotoniset materiaalit aurinkokennojen säteilymuuntimina sekä osana terveysteknologioiden kannettavia laitteita ja suurempia järjestelmiä. Toisaalta ratkaisuja etsitään metalliorgaanisista systeemeistä aurinkokennojen herkistiminä, uusina katalyytteina sekä magneettisina materiaaleina. Täten pyritään mahdollistamaan tehokkaampi energiantuotanto ja vähentämään energian kulutusta yhteiskunnan tarpeissa.
Energiantuotantoa voidaan tehostaa merkittävästi parantamalla aurinkoenergian talteenoton tehokkuutta. Maan pinnalle asti pääsevästä auringon säteilystä vain suunnilleen 45 prosenttia osuu aallonpituudeltaan sellaiselle alueelle, jonka nykyiset aurinkokennot pystyvät ottamaan talteen. Tämän ulkopuolelle jäävät ultraviolettisäteily, jota on noin viisi prosenttia, sekä infrapunasäteily, jota on peräti 50 prosenttia auringosta tulevasta säteilystä.
Aurinkokennojen yhtenä tärkeimmistä kehityskohteista onkin tällä hetkellä lisätä nykyisiin materiaaleihin toiminnallisia kerroksia, jotka pystyvät muuntamaan erityisesti infrapunasäteilyn käytettävään muotoon eli näkyväksi valoksi. Nämä kerrokset mahdollistuvat käyttämällä kestäviä fotonisia materiaaleja, epäorgaanisia loisteaineita.
Loisteaineita käytetään tavallisesti tuottamaan valoa esimerkiksi televisioiden kuvaruuduissa, näytöissä, energiansäästölampuissa ja LED-valoissa. Ne pystyvät muuntamaan korkeampaa energiaa matalammaksi, joten ne soveltuvat ultraviolettisäteilyn muuntamiseen aurinkokennoissa. Sen sijaan muunto infrapunasta näkyväksi valoksi on paljon hankalampaa. Se voidaan toteuttaa ns. käänteisvirityksen avulla, joka mahdollistaa vähempienergisen infrapunasäteilyn pinoamisen korkeampienergiseksi näkyväksi valoksi.
Loisteaineilla herkistetyillä aurinkokennoilla on saatu jo lupaavia tuloksia, sillä käänteisviritteisten materiaalien avulla on parhaimmillaan saatu jo lähes 40 prosentin parannus tiettyjen aurinkokennotyppien tehokkuuteen laboratorio-oloissa. Haasteena on parantaa tavallisten piiaurinkokennojen toimintaa yhtä merkittävästi. Asiaa tutkitaan intensiivisesti eri puolilla maailmaa, joten hyviä tuloksia todennäköisesti on odotettavissa.
Aurinkoenergialla tuotetun sähkön varastoimiseksi on kehitteillä monia erilaisia järjestelmiä, joista yksi lupaavimpia on veden sähkökatalyyttinen hajottaminen hapeksi ja vedyksi. Energialähteeksi sopiva vety voidaan varastoida ja ottaa käyttöön silloin, kun aurinkovoimaa ei ole saatavilla.
Veden hajottamista voidaan tehostaa esimerkiksi sopivilla metalliorgaanisilla katalyyteillä, jolloin sähköenergia voidaan muuttaa tehokkaammin kemialliseksi energiaksi. Tällä hetkellä parhaat metalliorgaaniset katalyytit sisältävät harvinaisia ja kalliita metalleja, kuten ruteenia, mutta tutkijat pyrkivät kehittämään uusia katalyyttejä, joissa metallikeskuksena olisi esimerkiksi rauta tai kupari.
Maailma on hyvin epäorgaaninen ja siksi epäorgaaniset materiaalit voivat tuoda ratkaisun kestävään kehitykseen. Mutta yksinään ne eivät siihen pysty, vaan osana suurempia kokonaisuuksia, hybridimateriaaleissa. Siksi tarvitaan laajamittaista kansallista ja kansainvälistä yhteistyötä sekä kemian eri suuntausten erikoisosaajien että monien muiden tieteenalojen asiantuntijoiden välillä.
Dosentti Mika Lastusaari toimii Turun yliopiston Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmän fotonisten materiaalien tutkimuksen johtajana. Dosentti Ari Lehtonen toimii Turun yliopiston Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmän metalliorgaanisten systeemien tutkimuksen johtajana.
