Otaniemeen ollaan rakentamassa tulevaisuuden mobiilitietoliikenteen huippunopeaa 5G-verkkoa. Myöhemmin testiverkko laajenee kaupunkialueelle.

Entistä nopeampaa ja äärimmäisen luotettavaa tiedonvälitystä lupaava 5G on tulossa markkinoille vuosikymmenen vaihteessa, ja suurin osa sen kehitystyöstä tehdään lähivuosina. 

"5G tulee muuttamaan langatonta tiedonsiirtoa merkittävästi", povaa professori Raimo Kantola Aalto-yliopiston Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitokselta.

"Erittäin luotettava 5G mahdollistaa uudenlaisia käyttötapoja. Pilviteknologia pienentää kustannuksia ja lisää palvelukilpailua. Kyseessä on valtakunnallinen pilotti, jonka tavoitteena on luoda kokeiluympäristö uudelle teknologialle."

Teoriassa 5G-verkossa voidaan välittää tietoa noin 30 gigabittiä sekunnissa siinä missä nykyisin käytössä oleva 4G kykenee 123 megabittiin sekunnissa. Käytännössä 5G:n tiedonsiirtonopeus tulee olemaan alempi, noin 10 gigaa sekunnissa hyvissä olosuhteissa ja normaalikäytössä noin 3,5 Gbps. Suurimmat nyt tarjolla olevat kiinteät laajakaistayhteydet ovat 1 Gbps.

Aalto-yliopisto on mukana tutkimustyössä monilla eri 5G:n osa-alueilla ja on nyt rakentamassa yritysten kanssa Tekesin  TAKE-5 -projektin puitteissa yhdessä alan yritysten kanssa 5G-testiverkkoa Otaniemeen Espooseen.

"Tämä hanke on ainutlaatuinen", kertoo tutkija ja projektikoordinaattori Jose Costa-Requena. 

"Se kannustaa kumppaneita ja kehittäjiä mukaan rakentamaan verkkoa, joka pystyy vastaamaan tulevaisuuden äärimmäisiin ja moninaisiin vaatimuksiin. Hanke auttaa tekemään 5G:stä todellisuutta, jossa kumppanimme voivat maksutta käyttää yhteistä testausverkkoa, testata komponenttejaan ja sovelluksiaan täysin uusien ratkaisujen tutkimiseksi eikä heidän tarvitse investoida omien järjestelmien perustamiseen. Hanke tulee edistämään innovointia esimerkiksi opiskelijoiden, startup -yritysten ja pk-yritysten keskuudessa ja tulee siten luomaan ainutlaatuisen ekosysteemin, jossa kaikki osapuolet voivat menestyä".

Aalto-yliopisto tekee yhteistyötä johtavien laitevalmistajien ja tunnettujen sovelluskehittäjien kanssa. Myös uudet 5G:n ja tulevaisuuden teknologioiden kehittämisestä kiinnostuneet kumppanit ovat tervetulleita mukaan.

5G rakentuu vaihe vaiheelta

Projektissa hyödynnetään tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitoksella tehtyä vuosien tutkimustyötä.

"Käytämme Otaniemessä jo olemassa olevaa testiverkkoa sekä sen rinnalle rakennettavaa kokonaan uutta 5G-radioverkkoa, joiden päälle rakentuu vaihe vaiheelta 5G-runkoverkko pilviteknologiaa hyödyntäen", Kantola jatkaa. 

"Uskomme, että vaihe vaiheelta eteneminen takaa parhaimman lopputuloksen."

5G testiverkon tavoitteena on laajentua myös kaupunkialueelle, jossa liikkuvuus ja peittoalueet ovat erittäin haasteelliset esimerkiksi katutunneleissa.

TAKE-5 on Tekesin rahoittama projekti, jonka kesto on kolme vuotta. Projektissa ovat mukana Aalto-yliopisto, Helsingin yliopisto sekä Tampereen teknillinen yliopisto. Yrityksistä mukana ovat tällä hetkellä Nokia, Ericsson, Huawei, Coriant Oy, Efore, EXFO, ECE, ECE, Rugged Tooling ja Magister. Aalto-yliopisto kutsuu mukaan uusia kumppaneita osallistumaan uuden teknologian ja liiketoimintamallien kehittämiseen 5G tekniikkaa hyödyntäen.

Artikkeli perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

Komeetta 67P/Churyumov–Gerasimenko ja sitä jo vuoden päivät tutkinut eurooppalainen Rosetta-luotain saavuttivat ratojensa Aurinkoa lähimmän pisteen, niin sanotun perihelin nyt aamulla.

Tarkalleen ottaen kaksikko oli nyt torstaina klo 5:03 Suomen aikaa 186 miljoonan kilometrin päässä Auringosta ja nyt etäisyys on jälleen kasvamassa – hitaasti, mutta varmasti komeetta etääntyy Auringosta ja alkaa vähitellen hiipua. Komeetan nopeus radallaan on noin 120 000 km/h ja sitä vajaan 200 km:n etäisyydellä kiertävän Rosetta-luotaimen nopeus on luonnollisesti jotakuinkin saman verran. 

Komeetta ”Chury” ei tule siis radallaan kovin lähelle Aurinkoa, vaan nyt läheisimmilläänkin se on kauempana kuin Maa, mutta lähempänä kuin Mars. Se valittiinkin komeettalennon kohteeksi juuri sen vuoksi, että se muuttuu kunnolliseksi pyrstötähdeksi ja sen toimii aivan samaan tapaan kuin taivaalla komeina joskus näkyvät pitkäpyrstöiset komeetat, mutta on myös turvallinen, tavallinen ja ennustettavasti käyttäytyvä kohde.

Noin kolmen vuoden ja kolmen kuukauden kuluttua komeetta on jälleen ratansa kaukaisimmassa kohdassa Jupiterin radan kauemmalla puolella, missä ei ole tarpeeksi valoa Rosettan toimimiseksi. Siksipä ajatuksena on jatkaa tutkimuksia ensi vuoden syyskuuhun saakka: näin Rosetta olisi nähnyt Churyn heräämisen ja sammumisen, sekä koko aktiivisen ajan siinä välissä. Ja tuon aktiivisimman ajan kaikkein tapahtumarikkain jakso on juuri nyt komeetan ollessa lähimmillään Aurinkoa.

Tällä haavaa luotain toimii erinomaisesti, eikä sillä ole todennäköisesti mitään vaikeuksia jatkaa vielä pitkäänkin. Philae-laskeutujasta puolestaan ei ole kuultu mitään sitten viime kuun alun, ja on varsin todennäköistä, että sen toiminta jäi suunniteltuun kolmeen vuorokauteen viime vuoden marraskuussa.

Tämä hieman harmittaa tutkijoita ja insinöörejä, sillä he ovat ennättäneet jo tottua siihen, että Rosetta on tehnyt enemmän ja paremmin kuin odotettiin.

Uuden menetelmän avulla DNA:sta voidaan laskostaa lähes mielivaltaisia kolmiulotteisia rakenteita vähän samaan tapaan kuin origameja voidaan taitella. Tuoreessa Nature-lehdessä julkistettua, Tukholman Karoliinisessa instituutissa Björn Högbergin tutkimusryhmässä kehitettyä menetelmää voidaan verrata nanomittakaavan 3D-tulostukseen.

Mukana tutkimuksessa on myös Aalto-yliopisto, missä tietotekniikan laitoksella on tehty menetelmään sen tarvitseva algoritmi. Laskennallisen suunnittelumenetelmän lähtökohtana on tavoitellun kolmiulotteisen rakenteen hilamalli, jollaisia käytetään mm. tietokonegrafiikassa ja teollisessa suunnittelussa. Menetelmän avulla voidaan syötteenä annettu malli kuvata DNA-jonoiksi, jotka ns. DNA-origamitekniikkaa käyttäen yhdistyvät suolaliuoksessa halutuksi rakenteeksi.

Karoliinisessa instituutissa tehdyt, erivahvuisissa suolaliuoksissa toteutetut kokeet vahvistavat, että suunnitellut DNA-kierteet hybridisoituivat haluttuihin muotoihin, jopa kehon luonnollista matalaa suolapitoisuutta vastaavissa liuoksissa. 

”Kehittämämme suunnittelumenetelmän etuna on, että saatoimme tehdä prosessista täysin automaattisen ja näin toteuttaa monimutkaisiakin rakenteita. Aiemmat lähestymistavat kolmiulotteisten DNA-rakenteiden muodostamiseen ovat perustuneet käsityöhön ja toteutetut rakenteet ovat olleet hyvin yksinkertaisia. Uskonkin, että kehittyneillä tietoteknisillä menetelmillä tulee olemaan suuri merkitys DNA-nanoteknologian kehitykseen, kun pyritään laboratoriokokeiden mittakaavasta kohti mullistavia sovelluksia”, sanoo professori Pekka Orponen Aalto-yliopistosta.

Uusi menetelmä mahdollistaa lähes mielivaltaisten kolmiulotteisten DNA-rakenteiden syntetisoinnin. Tekniikalle on välitöntä käyttöä solubiologian perustutkimuksessa ja pidemmälle katsoen esimerkiksi täsmälääkkeiden ja elimistön tai ympäristön tilan seurantaan käytettävien bioilmaisinmolekyylien  kehittämisessä.

”Biologista käyttöä varten tarvitsemme rakenteita, jotka laskostuvat ja säilyttävät muotonsa laboratorioympäristön lisäksi myös fysiologisissa suolaliuoksissa. Uusi synteesi- ja suunnittelumenetelmä käyttää myös DNA-materiaalia huomattavasti tehokkaammin kuin aiemmat lähestymistavat ja tekee näin mahdolliseksi entistä mutkikkaampien rakenteiden syntetisoinnin”, sanoo tutkimuksen johtaja Björn Högberg Karoliinisesta instituutista.

Menetelmää käyttäen tuotetut rakenteet ovat halkaisijaltaan 20-100 nanometrin (millimetrin miljoonasosan) kokoluokkaa, kun ihmishius on halkaisijaltaan noin 50,000 nanometriä. Uuden tekniikan avulla tutkijat rakensivat muun muassa nanokokoisen pallon, sauvan, spiraalin, pullon ja DNA-tulostetun version istuvaa jänistä esittävästä Stanford Bunny -mallista, joka on 3D-mallintamisessa paljon käytetty testirakenne.

Tietotekniikan laitos hyödynsi laskennassa Aalto-yliopiston Perustieteiden korkeakoulun Triton-laskentaklusterin tietokonekapasiteettia.

Alla on Högberg-tutkimusryhmän tekevä visualisaatio aiheesta.

Juttu perustuu Aalto-yliopiston lähettämään tiedotteeseen. Kuva: Erik Benson.

Voisiko Suomen satavuotista itsenäisyyttä juhlistaa korkeammalla tasolla? Aalto-yliopiston rakentama juhlavuotissatelliitti tempaa kaikki suomalaiset mukaansa ainutlaatuiselle avaruusmatkalle, jolla pääsee ratsastamaan virtuaalisesti satelliitin mukana avaruudessa, katsomaan sieltä alas maapalloon – ja Suomeen – sekä tutustumaan muun muassa revontuliin.

Tiedossa on upea seikkailu, joka ei muistele menneitä, vaan vie Suomen sata vuotta tulevaisuuteen!

Aalto-yliopiston piensatelliitti on valittu mukaan Suomen itsenäisyyden satavuotisjuhlavuoden 2017 ohjelmaan. Tähän Suomi 100 -nimellä kulkevaan satelliittiin tulee kameroita ja radiovastaanotin, jotka kuvantavat maapalloa, avaruutta ja revontulia sekä erityisesti Suomea sekä tuovat ne virtuaalisesti Maan päälle. 

"Satelliitti tarjoaa jokaiselle ainutkertaisen avaruuskokemuksen", lupaa Aalto-yliopiston professori Esa Kallio.

Kuten toivottavasti vielä tänä vuonna avaruuteen laukaistava Aalto-1, Suomen ensimmäinen satelliitti, suunnitellaan ja rakennetaan myös Suomi 100 -satelliitti opiskelijavoimin. Sen toteuttamisessa hyödynnetäänkin Aalto-yliopiston keräämää kokemusta piensatelliittien tekemisestä.

"Meillä on kokemusta hyvästä yhteistyöstä muiden yliopistojen ja yhteistyökumppaneiden kanssa", jatkaa Kallio. 

"Toivomme sen jatkuvan Suomi 100 -satelliitin suunnittelussa ja rakentamisessa. Hanke tarjoaa laajasti kiinnostavaa tietoa ja tekee tiedettä tunnetuksi kaikille suomalaisille ja toivottavasti innostaa osaltaan nuoria tekniikan ja tieteen opiskeluun."

Kaikki asiasta kiinnostuneet ovatkin tervetulleita mukaan yhteisen avaruusmatkan ideointiin ja rakentamiseen!

Pari kiloa, paljon osaamista

Suomi 100 -satelliitti laukaistaan avaruuteen napa-alueiden kautta kulkevalle polaariradalle. Satelliitti on pieni, vain noin muutaman kilon painoinen nanosatelliitti, jonka tekninen toteutus perustuu CubeSat-standardiin.

"Avaruuden polaariradalla satelliitti pystyy havaitsemaan erinomaisesti pohjoisia alueita ja on hyvin näkyvissä Suomesta", Kallio toteaa.

Satelliitin mahdollistaman avaruuskokemuksen lisäksi hankkeessa on kyse yhteisestä matkasta Suomen ja sen teknologian historiaan. Satelliitti pohjautuu Suomen korkeatasoiseen tieteellis-tekniseen osaamiseen ja koulutukseen, jotka ovat luoneet maahamme hyvinvointia ja muuttaneet elämäämme pian sadan itsenäisen vuoden aikana.

Samalla Suomi 100 -satelliitti katsoo vahvasti tulevaisuuteen: 

"Millainen on Suomen 200. juhlavuosi ja mahdollinen Suomi 200 -satelliitti? Mitä uusi, vielä tuntemattomia mahdollisuuksia avaruus, tiede ja tekniikka ovat meille silloin tarjonneet?"

---

Itsenäinen Suomi täyttää sata vuotta vuonna 2017. Se on Suomen suuri vuosi, joka rakennetaan yhdessä. Juhlavuosi synnyttää tekoja, elämyksiä ja ohjelmaa. Se elää koko Suomessa, koko vuoden 2017. Tekojen kautta tarkastellaan itsenäisyyden mennyttä vuosisataa, Suomen nykyisyyttä ja tulevaisuutta. Kaikista mukana olevista hankkeista on lisätietoja osoitteessa www.suomi100finland.fi

Tiedetuubi on Suomi 100 -satelliitin tiedotuskumppani.

Suomen ensimmäinen satelliitti, opiskelijavoimin tehtävä Aalto-1, on toden edessä: vuosien suunnittelun ja rakentamisen jälkeen sen lentomalli valmistuu nyt toukokuussa ja kesän kuluessa se lähetetään eteenpäin kohti kantorakettia.

Jos nykyinen suunnitelma pitää kutinsa, laukaistaan Aalto-1 avaruuteen tämän vuoden joulukuussa Cape Canaveralista, Floridasta, SpaceX-yhtiön Falcon 9 -kantoraketilla.

Tänään satelliitin kaikkien alijärjestelmien ja instrumenttien tekijät tapasivat Otaniemessä ja esittelivät oman osuutensa tilannetta. Satelliitin niin sanottu insinöörimalli, toiminnallisesti varsinaisen avaruuteen lähtevän satelliitin kaksoiskappale, on parhaillaan avaruuden olosuhteita jäljittelevässä kammiossa testattavana, ja varsinaisen lentomallin viimeinen kokoaminen on meneillään.

Ainoastaan asennonsäätölaitteiston sekä lentotietokoneen ohjelmistojen kanssa on vielä punnerrettavaa, mutta nekin saadaan pian kuntoon. “Ainakaan laukaisua ei voida siirtää eteenpäin, joten nyt mennään”, totesi satelliittihankkeen vetäjä Jaan Praks päivän päätteeksi.

Aalto-yliopiston tutkijat havaitsivat yhdysvaltalaisten kollegoidensa kanssa ensimmäisenä maailmassa pistemäisen monopolin kvanttikentässä.

Tutkijat tekivät kokeen, jossa rubidium-atomeista muodostunutta kaasua muokattiin magneetittomassa tilassa lähes absoluuttisessa nollapisteessä. Nämä olosuhteet mahdollistivat yksittäisen monopolin luomisen kaasua kuvaavaan kvanttimekaaniseen kenttään.

”Magneetittomassa tilassa kaasun kenttään syntyi samankaltainen rakenne kuin miltä magneettinen monopolihiukkanen näyttää hiukkasfysiikan teorioissa", iloitsee tutkimusryhmäss mukana oleva dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta. 

"Aikaisemmin olemme saaneet aikaan monopolin synteettiseen magneettikenttään, mutta monopolia ei ollut kaasua kuvaavassa kvanttikentässä. Nyt vihdoinkin näimme kvanttimekaanisen monopolin!”

Aalto-yliopiston opiskelijoiden satelliittihanke Aalto-1 otti taas yhden askeleen eteenpäin, kun satelliitille saatiin järjestettyä kyyti avaruuteen. Se lähetetään kiertoradalle amerikkalaisella Falcon 9 -kantoraketilla ensi vuoden syksynä. 

"Tarkka päivämäärä selviää vasta myöhemmin", sanoo projektin vastuullinen johtaja, professori Jaan Praks. 

"Satelliittimme valmistuu kesään mennessä, jonka jälkeen toimitamme sen eteenpäin rakettiin integroitavaksi laukaisuvälittäjän kautta. Kesän aikana siihen tehdään tulevassa laukaisupaikassa vielä tarvittavat testaukset".

Aalto-1 on ensimmäinen satelliitti, joka on sekä suunniteltu että rakennettu kokonaan Suomessa. Mukana hankkeessa on Aalto-yliopiston lisäksi koko joukko suomalaisia yliopistoja ja instituutteja. VTT:n kehittämää spektrometrilaitetta käytetään ympäristön kaukokartoittamiseen. Satelliitissa testataan myös Ilmatieteen laitoksen kehittämää sähköstaattista plasmajarrua. Plasmajarrun avulla satelliitti voidaan jarruttaa alemmalle radalle, kun se on täyttänyt tehtävänsä. Näin satelliitti tuhoutuu syöksyessään ilmakehään eikä jää kiertämään Maapalloa avaruusromuna. Aalto-1 -satelliitin pienen säteilymittarin vuorostaan rakensivat Helsingin yliopiston ja Turun yliopiston opiskelijat ja tutkijat.

Satelliitin insinöörimalli on parhaillaan testattavana Espoon Otaniemessä. Kevään aikana ennen odotettua hetkeä on edessä vielä monia vaiheita.

"Olemme rakentaneet satelliitista niin kutsutun insinöörimallin, jolle teimme tärinätestin muutama viikko sitten", laatupäällikkö Tuomas Tikka kertoo. "Testasimme kriittisiä kohtia, miten ne kestävät laukaisun voimat ja tärinät. Testi meni hyvin. Löysimme pieniä ongelmakohtia, ja ne korjataan lopulliseen satelliittiin".

"Nyt olemme laittaneet tilaukseen satelliitin lentomallin osat. Itse satelliitin kokoaminen alijärjestelmistä sujuu muutamassa päivässä, mutta järjestelmien keskinäisen toiminnan varmistaminen ja ohjelmointi vie aikaa."

Yksi suuri testi on vielä tulossa. Tammikuun aikana suoritetaan lämpötyhjiötestit insinöörimallille tavoitteena testata, miten satelliitti kestää avaruuden suuria lämpötilavaihteluja. Lisäksi kevään aikana tehdään myös paljon ohjelointityötä.

Lauma satelliitteja

Kun Aalto-1:tä kuljettava Falcon 9 nousee matkaan Floridasta ensi vuoden syksyllä, on kyseessä monessa mielessä historiallinen tapaus. Paitsi että ensimmäinen suomalaissatelliitti pääsee tuolloin avaruuteen, vie raketti näillä näkymin kiertoradalle kautta aikain suurimman kerrallaan laukaistun satelliittimäärän. Mukana on yhteensä noin 80 nanosatelliittia. Nanosatelliitit ovat standardisoituja pieniä satelliitteja, jotka painavat noin 1-10 kg. Aalto-1 on myös sellainen.

Aalto-1 -satelliitin toimittaa perille rakettiin hollantilainen laukaisuvälittäjä Innovative Solutions in Space ja laukaisee avaruuteen SpaceX -yhtiö.

Jos kaikki sujuu hyvin, saadaan yhteys Aalto-1 -satelliittiin jo muutaman tunnin kuluessa laukaisuun jälkeen, mutta viimeistään vuorokauden sisällä. Satelliittia seurataan Espoon Otaniemestä. Sen elinkaaren odotetaan olevan noin kaksi vuotta, mutta parhaimmassa tapauksessa jopa viisi vuotta.

"Aalto-1 -satelliitin tavoite on kolmen mukana olevan hyötykuorman toiminnan seuraaminen ja demonstrointi avaruudessa", kertoo Praks. "Tämä projekti on kehittänyt valtavasti suomalaista avaruustekniikan koulutusta".

Aalto-1 on opiskelijasatelliittiprojekti, jota vetää Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulun radiotieteen ja -tekniikan laitos. Satelliitti on suunniteltu ja rakennetaan pääasiassa opiskelijavoimin opinnäytetöiden ja projektitöiden puitteissa. Vuonna 2010 alkaneessa projektissa on ollut mukana yhteensä jo yli 80 opiskelijaa. Tiedetuubi on seurannut hanketta tiiviisti ja tekee niin jatkossakin.

El Niñon kaltaisten sääilmiöiden vaikutus katastrofaalisiin tulviin ja kuivuuksiin on ennustettavissa.

Aalto-yliopisto oli mukana El Niño Southern Oscillation (ENSO) -ilmiön vaikutuksia selvittäneessä kansainvälisessä tutkijaryhmässä, jota johti Amsterdamin VU-yliopisto. ENSO-ilmiössä on kyse luonnollisesta ilmastosyklistä, joka muuttaa meriveden lämpötilaa ja myrskyjen liikeratoja trooppisella Tyynellämerellä. Ilmiön kaksi äärivaihetta ovat El Niño ja La Niña, jotka muuttavat sääoloja maailmanlaajuisesti ja voivat aiheuttaa alueellisesti äärimmäisiä sääilmiöitä, kuten pyörremyrskyjä, tulvia tai kuivuutta.

El Niñolla ja La Niñalla on merkittävä vaikutus tulvariskiin lähes puolella maapallon pinta-alasta, ilmenee PNAS-tiedelehdessä julkaistussa tutkimuksessa. El Niño -ilmiö on kehittymässä tänä vuonna trooppisella Tyynellämerellä, missä veden lämpötila on nousussa, ja suurella todennäköisyydellä tulevien kuukausien aikana syntyy El Niño -ilmiö. Viimeisin El Niño ilmeni vuonna 2007.

Tutkimuksella merkittävää maailmanlaajuista hyötyä

El Niño vaikutus vesistötulvien taloudellisiin ja yhteiskunnallisiin seurauksiin on merkittävä useilla alueilla maailmanlaajuisesti.

Tutkimuksen tuoma uusi tieto voi auttaa maailmanlaajuisesti ja alueellisesti toimivia humanitaarisia järjestöjä, vakuutuslaitoksia ja tulvanhallinnasta vastaavia tahoja laatimaan toimintasuunnitelman ja varautumaan lähikuukausien todennäköisiin haittavaikutuksiin ja riskeihin.

"Esimerkiksi humanitääriset järjestöt voivat tilapäisesti kasvattaa tai siirtää ruoka- ja lääkevarastojaan tulevien tulvien varalle ja parantaa siten ruoan ja lääkkeiden saatavuutta tulvakaudella", kertoo Suomen Akatemian tutkijatohtori Matti Kummu Aalto-yliopistosta.

Äärimmäiset tulvat ja kuivuudet yleisiä ENSO:n aikana

Ainutlaatuisessa tutkimuksessa tarkasteltiin ENSO-ilmiön vaikutuksia maailmanlaajuisiin tulvariskeihin vertailemalla aiempien ENSO-kausien ja simuloitujen tulvaolosuhteiden välistä yhteyttä. Lisäksi tutkimuksessa arvioitiin sosioekonomisen mallin avulla maailmantaloudelle aiheutuvaa haittaa sekä kaupunki- että maaseutualueilla sekä tulvien vaikutusalueella olevien ihmisten määrää ja tulvien vaikutusta bruttokansantuotteeseen.

"34 prosentilla maapallon maapinta-alasta tulvien esiintyminen on keskimääräistä pienempää tai suurempaa El Niño -vuosina", toteaa tutkimusta johtanut Philip Ward VU-yliopistosta.

"La Niña -vuosina taas tulvien esiintyminen on poikkeavaa 38 prosentilla maapallon maapinta-alasta. Tulostemme mukaan vesistöalueilla, jotka kattavat 44 prosenttia maapallon pinta-alasta tulvien aiheuttamat vahingot kaupunkialueilla ovat keskimääräisestä poikkeavat El Niño- ja La Niña -vuosina".

Tutkimuksen mukaan aiempina El Niño -vuosina tulvavahingot olivat erityisen suuret laajoilla alueilla muun muassa Etelä-Amerikan länsi- ja kaakkoisosissa, Afrikan sarven joissakin osissa, Koillis-Intiassa, Bhutanissa, Nepalissa, Pyreneiden niemimaalla ja keskisessä Euraasiassa. Monet alueet ovat myös kärsineet tulvavahingoista keskimääräistä vähemmän noina vuosina. Tyypillisiä esimerkkejä tällaisista alueista ovat esimerkiksi eteläinen Afrikka ja Itä-Australia. Toisaalta kuivuus voi merkittävästi lisääntyä näillä alueilla El Niño -vuosina.

Tutkimus toteutettiin Amsterdamin VU-yliopiston ympäristötieteiden laitoksella yhteistyössä Deltaresin (Alankomaat), Aalto-yliopiston (Suomi), Scripps Institution of Oceanographyn ja United States Geological Surveyn (Yhdysvallat) kanssa. Tutkimusta rahoittivat Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO), Bermuda Institute of Ocean Sciencesin Risk Prediction Initiative (RPI2.0) ja Suomen Akatemia.

Ward, P.J., Jongman, B., Kummu, M., Dettinger, M.D., Sperna Weiland, F.C., Winsemius, H.C., 2014. Strong influence of El Niño Southern Oscillation on flood risk around the world, Proceedings of the National Academy of Sciences. (pnas.org)

Juttu on kopioitu käytännössä suoraan Aalto-yliopiston tiedotteesta El Niñon vaikutus katastrofiriskeihin voidaan ennustaa kuukausia aiemmin.

Aalto-yliopiston puukemian professori Tapani Vuorisella on idea: kehittää sellumassan valkaisua niin, että haluttuun lopputulokseen päästään kahdella tai jopa yhdellä valkaisuvaiheella.

Tavallaan kyseessä on paluu menneeseen, sillä puuvilla- ja pellavalumppujen valkaisu aloitettiin yhden vaiheen tekniikalla 1700-luvun lopulla. Tuolloin massaa sekoitettiin kattilassa käsivoimin, ja samalla lisättiin kemikaaleja, kunnes tulos näytti sopivalta – määristä ja ympäristövaikutuksista murehtimatta.

Kahdessa vuosisadassa sellun laatu on parantunut, kemikaalit ovat kehittyneet ja ympäristövaikutukset pienentyneet kasvaneista tuotantomääristä huolimatta. Samalla valkaisusta on kuitenkin tullut monivaiheinen, aikaa, energiaa ja suuria investointeja vaativa prosessi. Nyt Vuorinen ja hänen tutkimusryhmänsä uskovat voivansa lyhentää ja tehostaa valkaisuprosessia alan yritysten tuella kehittämänsä katalyyttisen valkaisun avulla.

"Käyttämämme katalyytti, DABCO-niminen tertiäärinen amiini, reagoi valkaisuaineen kanssa ja tehostaa huomattavasti sen toimintaa", selittää Vuorinen. "Jos yhden vaiheen reaktioaika on tähän asti ollut noin tunti, kehittämällämme menetelmällä sama tulos saavutetaan parhaimmillaan alle sekunnissa. Perinteisesti vaiheita on ollut 4–5; katalyytin ansiosta kaksi vaihetta riittää".

Reaktori huonekoossa

Teollisuudelle vaiheiden lyheneminen ja väheneminen merkitsee suuria säästöjä. Modernin sellutehtaan rakentaminen on mittava investointi, osin juuri valkaisuprosessin asettamien vaatimusten takia. Yhden valkaisuun tarvittavan reaktorin tilavuus voi olla tuhansia kuutiometrejä, ja jokainen vaiheista vaatii oman reaktorinsa.

"Miljoona tonnia vuodessa tuottavan sellutehtaan valkaisuyksikön rakentaminen voi maksaa jopa 200 miljoonaa euroa, sillä valkaisureaktorien lisäksi on rakennettava myös tehdas, jossa valkaisukemikaalit valmistetaan", kertoo tohtorikoulutettava Naveen Chenna.

Katalyytin ansiosta kemikaaleja tarvitaan vähemmän ja suuria reaktoreita vain yksi, muilta osin valkaisuprosessi mahtuu tavallisen huoneen kokoiseen tilaan. Ajan, investointien ja kemikaalien lisäksi katalyyttinen valkaisu säästää myös energiaa.

"Reaktorit voivat olla jopa 50 metriä korkeita, ja niiden lämmittäminen vesihöyryllä nykyisten valkaisumenetelmien vaatimaan 80–90 asteeseen vaatii valtavasti energiaa", selittää Chenna. "Katalyyttinen valkaisu taas voidaan tehdä jopa huoneenlämpötilassa".

Valikoivampaa valkaisua

Sellumassan valkaisussa käytetään yleisimmin klooridioksidia joko yksinään tai happikaasun ja vetyperoksidin kanssa. Valkaisu voidaan toteuttaa myös täysin ilman klooriyhdisteitä, otsonin ja peroksidin avulla. Katalyyttisessä valkaisussa käytetään jo kertaalleen torjuttua kemikaalia, hypokloriittia.

"Tämä onkin jännä juttu", paljastaa Tapani Vuorinen.

"Katalyyttisessä vaiheessa käyttämämme hypokloriitti hylättiin 1900-luvun loppupuolella sen käytössä syntyvän kloroformin takia. Hypokloriitti on ollut vuosia melkein tabu, josta ei ole haluttu teollisuudessa puhua, ja koordinaatioryhmässäkin arkailtiin sen käyttöä. Me olemme kuitenkin pystyneet osoittamaan kokeilla, että katalyyttisessä valkaisussa päästään kloroformin suhteen alhaisempiin päästöihin kuin perinteisessä valkaisussa, jossa käytetään klooridioksidia. Olemme tavallaan tulleet asiassa ympäri, eli saaneet jo hylätyllä kemikaalilla ympäristön kannalta parempia tuloksia tekemällä asiat uudella tavalla."

Yksi perinteisen valkaisun ongelmista on klooridioksidin tehottomuus. Vain osa siitä kuluu haluttuun tehtävään, eli ligniinin poistamiseen, ja lopusta muodostuu prosessissa kloraattia sekä jätevesien eloperäisiin yhdisteisiin sitoutuvaa klooria. Katalyyttisessä valkaisussa puolestaan syntyy hypokloriitin ja DABCOn reaktiosta vahva elektrofiili, joka reagoi valikoiden juuri ligniinin ja muiden poistettavien yhdisteiden kanssa. Hypokloriittia syntyy myös perinteisen klooridioksidivalkaisun aikana määrä, joka on riittävä katalyyttisen valkaisun toteuttamiseen.

Unelma ulottuvilla

Katalyyttinen valkaisu on keksintönä niin lupaava, että kaikki kolme vuotta sitten mukaan tulleet yritykset – Stora Enso, UPM, Metsä Fibre, Kemira ja Andritz – näkevät tärkeäksi jatkaa tutkimusta. Katalyytin toimivuus on jo varmistettu; seuraavaksi pitää selvittää, miten sen käyttö onnistuu teollisessa mittakaavassa.

"Tiedämme, että DABCOa käytetään jo teollisuudessa esimerkiksi polymeereistä tehtävien vaahtojen valmistuksessa", kertoo Chenna. "Euroopan kemikaaliviraston asettama raja on tällä hetkellä kaksi kiloa tonnia kohden, ja me olemme käyttäneet kilon tai vähemmän. Koska markkinat ovat kansainväliset ja monet maat seuraavat Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto FDA:n päätöksiä, tarvitsemme hyväksynnän myös sieltä".

Tapani Vuorinen on optimistinen, mutta korostaa, että tutkittavaa on vielä paljon.

"Yritämme tehostaa prosessia edelleen niin, että katalyyttikustannukset saadaan alemmas. Myös massan laadusta pitää saada lisää tietoa. Tällä hetkellä käytettävissä valkaisumenetelmissä viipymät ovat pitkiä ja olosuhteet happamia, mikä heikentää kuidun laatua. Meidän ajatuksemme on, että katalyyttisellä valkaisulla massa on parempilaatuista."

Myös katalyyttistä vaihetta seuraavasta toisesta valkaisusta on saatava mahdollisimman tehokas. Tohtorikoulutettava Ghazaleh Afsahi on jo saanut otsonilla lupaavia tuloksia. Kahden vaiheen yhdistelmällä on mahdollista saada erittäin valkoista sellua muutamissa sekunneissa.

"Tapani uskoo, että tulevaisuudessa ei välttämättä edes tarvita reaktoria, vaan valkaisu pystytään hoitamaan sekoittimessa", sanovat Afsahi ja Chenna.

"Olemme jo aika lähellä hänen unelmaansa yhden vaiheen valkaisusta".

Otsikkokuvassa on sellun valkaisemissa käytettävää katalyyttiä ja hypokloriitia. Kuva: Heidi-Hanna Karhu.

Tämä Minna Höltän kirjoittama artikkeli ilmestyi 13. lokakuuta julkaistussa Aalto University Magazine 11 -lehdessä.