Ratkaisu: Teollinen internet ilman ekokatastrofia

Professorit Donald Lupo ja Paul Berger sekä tutkija Suvi Lehtimäki kehittävät TTY:llä ekologisia vaihtoehtoja teollisen internetin patteri- ja sähköjohtovuorelle. Kuva: TTY:n kuva-arkisto. Professorit Donald Lupo ja Paul Berger sekä tutkija Suvi Lehtimäki kehittävät TTY:llä ekologisia vaihtoehtoja teollisen internetin patteri- ja sähköjohtovuorelle. Kuva: TTY:n kuva-arkisto.

Ennusteiden mukaan teolliseen internetiin kuuluu jo lähitulevaisuudessa satoja miljardeja älykkäitä laitteita, jotka kommunikoivat keskenään. Seuraava haaste on tehdä kommunikoinnista ekologisesti kestävää.

Teollisen internetin, eli IoT:n (Internet of Things), odotetaan tuovan mukanaan huimaa kehitystä monella alalla, mutta laitteiden liittäminen toisiinsa uhkaa myös aiheuttaa ympäristökatastrofin. Miljardien älylaitteiden keskinäiseen viestintään tarvittaisiin nykymenolla myös miljardeja akkuja, sähköjohtoja ja piirisiruja. Näistä syntyisi valtava määrä elektronista romua.

”Jokaisen kommunikointiin tarkoitetun sensorin on oltava energiaomavarainen. Johtoja tai töpseleitä ei tarvita!”

Tämän Tampereen teknilliset yliopiston tutkijat haluavat välttää. Professorien Paul Bergerin ja Donald Lupon mielestä ongelmajätteeksi luokiteltavat patterit eivät ole ympäristön kannalta hyväksyttävä ratkaisu teollisen internetin käytännön toteutukseen. Korvaajaksi he kehittävät parhaillaan printattavia, ohuita ja joustavia elektronisia mittauslaitteita, jotka pystyvät kommunikoimaan langattomasti ja keräämään tarvitsemansa energian ympäriltään.

1) Minkä energiahaasteen teollisen internetin painettavat älylaitteet ratkaisevat, TTY:n professorit Paul Berger ja Donald Lupo?

”Printattavat älylaitteet ovat kestäviä ja energiatehokkaita sekä epäsuorasti että suoraan. Epäsuorat vaikutukset liittyvät kaikkien älylaitteiden kykyyn mitata ja hallita ympäristöä. Asunnoista saadaan energiatehokkaampia ja ruokakauppojen hävikeistä pienempiä. Meidän on kuitenkin varmistettava, ettei näitä ympäristöhyötyjä menetetä älylaitteiden oman energiankäytön vuoksi. Meidän mielestämme jokaisen kommunikointiin tarkoitetun sensorin on oltava energiaomavarainen. Johtoja tai töpseleitä ei tarvita!

Älylaitteiden on pystyttävä käymään energialla, jota ne keräävät ympäristöstään: radioaalloista, valosta, liikkeestä tai lämmöstä. Printattavat sähkölaitteet tekevät tämän mahdolliseksi. Lisäksi laitteet tarvitsevat väliaikaisen energiavaraston, mutta ilman kierrätysongelmiin johtavia akkuja. Kehitämme tähän tarkoitukseen myös niin sanottuja superkondensaattoreita, eli elektroniikan komponentteja, joihin voidaan kerätä energiaa suoraan ympäristöstä.”

2) Miten innovaationne tukee kestävää kehitystä?

”Lukuisat tutkimusryhmät tutkivat energiatehokkuutta makrotasolla. He etsivät kestäviä tapoja tuottaa energiaa voimalaitoksissa muun muassa aurinko-, tuuli- ja maalämmön avulla, mikä on tietenkin erittäin tärkeää. Me taas tutkimme mikrotason energiakestävyyttä, joka vaikuttaa ensisilmäyksellä vähemmän ”seksikkäältä”, mutta on myös hyvin tärkeää. Työmme avulla tulevaisuudessa kaikkialla läsnä olevia laitteita voidaan valmistaa ja käyttää kestävästi siten, että laitteet ovat energiaomavaraisia, niissä ei ole käytetty myrkyllisiä materiaaleja ja ne on valmistettu luonnonvaroja säästellen.”

”Olemme ensimmäisiä tutkimusryhmiä, joka yhdistää energian keräämisen printatuilla laitteilla sekä myrkyttömän varastoinnin pieniin sensorilaitteisiin.”

3) Miten ratkaisunne parantaa ihmisten elämänlaatua?

”Älylaitteet voivat edistää hyvinvointiamme monin tavoin. Sensorit voivat säätää elinympäristöämme halutulla tavalla, varoittaa meitä jo ennen kuin ongelmat ovat muilla tavoilla havaittavissa ja mahdollistaa esimerkiksi monia vanhusten kotipalveluja, kuten tuettua asumista ja kotoa käsin tehtäviä diagnooseja. Toivomme, että sensorien avulla vapaudumme lopulta myös älypuhelimista, ja voimme vain nauttia todellisesta maailmasta virtuaalisen sijaan. Printatut laitteet ovat tärkeässä asemassa tavoitteen toteuttamisessa, koska ne mahdollistavat kestävän energiaomavaraisuuden ja energian tuotannon ja ovat lisäksi ohuita, kevyitä, joustavia ja venyviä, ja sopivat näin ollen osaksi kaikkia jokapäiväisiä tavaroita. Kaiken lisäksi mikropiirien valmistaminen printattaviin komponentteihin on moninkertaisesti halvempaa ja ekologisempaa kuin piisirujen valmistus.”

4) Millaiseksi arvioitte innovaationne kehittyvän kymmenessä vuodessa?

”Toivomme, että kymmenen vuoden päästä printattu energiantuotanto ja varastointi on teollisen internetin perusratkaisu, ja että tarve akuille on pienentynyt valtavasti. Vaikka työmme piin jälkeisen ajan laitteiden parissa on aikajänteeltään selvästi pidempi, toivomme että printattujen mittauslaitteiden tuotanto on kymmenen vuoden päästä lähtenyt käyntiin.”

5) Onko samankaltaisia ratkaisuja kehitetty tai testattu muualla maailmassa?

“Valoa energianlähteenä käyttäviä printattuja laitteita on tutkittu jo jonkin aikaa. Esimerkiksi Kalifornian yliopistossa tutkitaan aurinkokennojen yhdistämistä hyvin ohuisiin litiumakkuihin. Logitechilla on jo myynnissäkin langaton näppäimistö, jossa on väriaineherkistetty aurinkokenno [eli “Grätzel-kenno”, Millennium-teknologiapalkinnon vuonna 2010 voittaneen Michael Grätzelin mukaan].

Me taas olemme aivan ensimmäisiä tutkimusryhmiä, joka yhdistää energian keräämisen printatuilla laitteilla sekä myrkyttömän varastoinnin pieniin sensorilaitteisiin. Myös Paul Bergerin uusi diodi-tutkimus Ohion osavaltionyliopistossa näyttää parhaillaan tietä uudelle tavalle tuottaa energiatehokkaita printattuja laitteita.”

Teksti: Laura Manas

Tämän juttusarjan muut osat löydät helposti ”Teema: energia” -kategoriasta.