Keksinnöt, jotka muuttavat maailmaa

Oletko koskaan miettinyt, miltä maailma näyttää 2050-luvulla? Tällä hetkellä tiede menee kovaa vauhtia eteenpäin ja monet uudet innovaatiot muuttavat monia, tällä hetkellä arkisia asioita. Miltä esimerkiksi kuulostaisi valtava keinotekoinen aurinko, joka tuottaa vetyä polttoaineeksi autoihin ja lentokoneisiin.

Tai miltä kuulostaisi se, että suurin osa hukkaenergiasta voitaisiin varastoida -196 asteiseen ilmaan ja käyttää myöhemmin uudestaan sähkön tuotannossa. Tässä artikkelissa kerron 5 energiainnovaatiosta, jotka onniestuessaan tulevat muuttamaan maailmaa.

Fuusioenergian läpimurto häämöttää

Fuusioenergian läpimurtoa on odoteltua jo vuosikymmenten ajan. Onnistuessaan se ratkaisisi ihmisten energiaongelmat, sillä silloin olisi lähes saasteetonta energiaa tarjolla loputtomasti.

Mutta mitä fuusioenergia tarkoittaa? Fuusioreaktiossa kaksi tai useampia atomiytimiä yhdistyy yhdeksi atomiksi, jolloin vapautuu suuri määrä energiaa. Tämä on siis päinvastainen kuin fissioreaktio, minkä avulla tämän hetkiset ydinvoimalat toimivat.

Ongelma fuusioreaktiossa on se, että sen käynnistämiseksi tarvitaan valtava lämpötila, jotta aine muuttuu plasmaksi. Maapallon olosuhteissa tämä lämpötila on noin 100 miljoonaa astetta.

Tämän järjöttämän kuuman plasman hallitseminen on todella vaikeaa, sillä se ei saa koskea mihinkään. Käytännössä kaikissa fuusioreaktoreissa plasmaa yritetään pitää koossa voimakkaiden magneettikenttien avulla.

Magneettien käyttö on hyvin haasteellista, silllä ne pitää saada suprajohtaviksi, jolloin sähkövirta pääsee kulkemaan niiden läpi ilman vastusta. Jotta magneetit saadaan suprajohtaviksi, ne pitää jäähdyttää -269 celsiusasteeseen!

Aikamoista, sillä samaan aikaan viereisessä reaktiokammiossa lämpötila on sen edellä mainitun 100 miljoonan asteen verran.

Onnistuessaan muutamasta litrasta vettä ja yhdstä litiumakusta saadaan niin paljon energiaa, että se kattaa yhden ihmisen sähkön tarpeen vuosikymmenien ajaksi.

Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, joten polttoaineesta ei ainakaan ole pulaa.

Vuonna 2021 julkaistussa tutkimuksessa yhdysvaltalaiset tutkijat olivat onnistuneet tuottamaan fuusioreaktorilla 1,3 megajoulue energiaa. Tämä energiamäärän aikaansaaminen oli kuluttanut 1,9 mehajoulea energiaa.

Vaikka kulutettu energiamäärä olikin suurempi kuin tuotettu, niin tulos on silti merkittävästi parempi kuin koskaan aikaisemmin. Tutkijat lähestyvät koko ajan sitä tilannetta, että fuusioreaktori tuottaa yhtä paljon energiaa kuin se kuluttaa.

Kun tämä saavutetaan voidaan puhua todellisesta energiavallankumouksesta. EU:n komission tavoitteen mukaan fuusioenergia pitäisi saada sähköverkkoihin vuonna 2050

Keinoaurinko

Kuten edellä mainittiin vety on erittäin tärkeässä osassa fuusioreaktorin toiminnassa. Vedyllä on kuitenkin olemassa myös muita käyttökohteita. Vetyä voidaan käyttää polttoaineena niin autoissa kuin lentokoneissakin. Käytössä vety on puhdas polttoaine, sillä esimerkiksi vedyllä toimiva polttokennoauto ei tuota käytännössä lainkaan haitallisia päästöjä.

Tähän liittyy kuitenkin yksi ongelma. Vetyä ei esiinny juurikaan vapaana alkuaineena maapallon ilmakehässä. Vetyä voidaan kuitenkin valmistaa kemiallisesti elektrolyysillä, missä vettä hajotetaan vedyksi ja hapeksi! Tämä prosessi vie kuitenkin valtavat määrät sähköä.

Tutkijoilla on tavoitteena ratkaistsa tämä asia siten, että elektrolyysiin tarvittava sähkö saataisiin suoraan auringon valosta. Tähän kuitenkin tarvitaan huomattavasti kehittyneempiä aurinkopaneeleja.

Tätä odotellessa Saksan ilmailu- ja avaruuskeskus on päättänyt rakentaa valtavan keinotekoisen auringon, jonka avulla puhtaan vedyn tuottaminen elektrolyysin avulla on tarkoitus tapahtua.

Tämä keinoaurinko on melko kirkas, sillä sen tuottama valo on 10 000 kertaa niin voimakas kuin Maahan kohdistuva auringonvalo. Tämä tarkoittaa sitä, että jos menisit tän keinoauringon läheisyyteen, kärventyisit välittömästi. Nimekseen tämä keinotekoinen aurinko on saanut Synlight

Keinoaurinko Synlight on tullut tähän mennessä maksamaan saksan valtiolle 3,5 miljoonaa euroa. Lisäksi se kuluttaa enemmän sähköä neljässä tunnissa kuin tavallinen omakotitalo vuodessa. Tämä on kuitenkin pieni hinta siitä, että onnistuessaan Synlight mahdollistaa laajamittaisen vedyn tuotannon.

Lopullinen päämäärä on tutkijoiden mukaan 100-prosenttisesti puhdasta polttoainetta 100-prosenttisesti puhtaasta energianlähteestä.

Sininen energia

Vihreästä energiasta tai vihreästä sähköstä on puhuttu erittäin paljon viimeisten vuosien aikana. Vihreä sähkö on yhteisnimitys vähän tai ei lainkaan saatuttaville, uusiutuville energiamuodoille. Tällaisia energiamuotoja ovat esimerkiksi tuulivoima, aurinkoenergia sekä vesivoima.

Vuonna 2020 ja 2021 vihreän energian lisäksi on alettu puhua myös sinisestä energiasta. Tätä sinistä energiaa päästään hyödyntämään sellaisissa paikoissa, jossa joet laskevat meriin. Itse sinisen energian hyödyntäminen perustuu joki- ja meriveden suolapitoisuuden eroihin.

Tässä ei ole kyse mistään ihan pienestä energiamäärästä, joka on tällä tavoilla mahdollista tuottaa. Nimittäin, jos sinistäenergiaa tuotettaisiin kaikkien jokien suistoissa, sähkötuotannon teho olisi noin 2,6 terawattia.

Tämä on suurin piirtein sama määrä, mitä 2000 ydinvoimalaa tuottaa. Tätä voi myös peilata siihen, että tällä hetkellä maailmassa on noin 440 ydinreaktoria. Täytyy kuitenkin tietysti se todeta, että kaikkia jokien suistoja ei varmasti saada valjastettua energian tuotantoon.

Mutta miten miten tää sininen energia sitten käytännössä toimii? Avainasemassa on merivedessä oleva suola NaCl. Merivedessä sekä natrium- että kloori -ionit ovat toisistaan erillään.

Joista virtaava makea vesi erotetaan merivedestä kalvolla, jonka läpi natrium-ionit pääsevät kulkemaan!

Kalvon toiselle puolelle syntyy positiivinen varaus ja toiselle puolelle negatiivinen varaus. Tämä jännite-ero voidaan sitten hyödyntää yhdistämällä puolet elektrodeilla toisiinsa.

Tämä ei sinänsä ole mitenkään uutta tekniikkaa. Se, mikä on uutta on tämän kalvon materiaali. Aikaisemmin nämä kalvot oli valmistettu boorinitriitistä tehdyistä nanoputkista, mutta tällöin Natrium-ionien virtaus ei ole ollut tarpeeksi suurta ja syntynyt jännite on jäänyt liian pieneksi. Tämä johtui siitä, että näitä nanoputkia ei saatu tarpeeksi tiheään tähän kalvolle.

Tässä uudessa keksinnöstä näistä nanoputkista tehtiin magneettisia päällystämällä ne positiivisilla metalli-ioneilla. Tällöin saatiin 0,0065 millimetrin paksuinen kalvo, jossa oli 10 miljoonaa nanoputkea nelisenttimetriä kohti.

Tällä uudella menetelmällä sähkötuotanto on saatu kasvamaan nelinkertaiseksi.

Vihreän sähkön varastoiminen

Kaikki uudet innovaatiot eivät suinkaan liity energian tuottamiseen. Tärkeä tutkimuksen kohde on myös energian säilöminen. Tämä on erityisen tärkeää uusiutuvien energiamuotojen kohdalla, joiden ongelmana on tuotannon epävakaus.

Aurinkoenergian käyttö edellyttää sitä, että aurinko paistaa ja tuulivoimala ei pyöri jos ilma on tyyni. Toisaalta joskus energiaa syntyy yli ihmisten tarpeiden.

Tähän mennessä ei ole onnistuttu suunnittelemaan sellaista energiavarastoa joka olisi kohtuuhintainen, säilöisi suuren määrän energiaa ja joka voitaisiin rakentaa millaiseen maastoon tahansa

Nyt kuitenkin Manchesterin lähelle on onnistuttu rakentamaan energiavarasto joka voi ratkaista tämän ongelman. Tämän innovaatio perustuu niinkin eksoottiseen asiaan kuin jääkylmään ilmaan.

Homma toimii seuraavalla tavalla:

• Kun sähkötuotanto on suurempi kuin tarve, ylimääräinen energia siirretään niin sanottuun kylmäilmaenergiavarastoon.
• Ylimääräisellä energialla, energiavaraston ilma jäähdytetään -196 asteeseen, jolloin ilma muuttuu nestemäiseksi. Saatu nestemäinen ilma varastoidaan niin kutsuttuun kryotankkiin.
• Jäähdytyksessä vapautunut lämpö säilötään myöhempää käyttöä varten.
• Kun sähköä tarvitaan, nestemäinen kylmä ilma lämmitetään edellä mainitulla ylijäämälämmöllä.
• Muodostunut ilmavirta johdetaan turbiiniin
• Turbiini tuottaa sähköä, joka sitten siirretään sähköverkkoon.

Tällaisilla kylmäenergiavarastoilla on myös toinen, todella merkittävä etu. Tätä erittäin kylmää, nestemäistä ilmaa voidaan nimittäin käyttää myös elintarvikkeiden kylmäsäilytykseen ja pakastamiseen.

Tulavaisuuden kaupunki

Seuraavaksi hypätään tulevaisuuteen ja katsotaan miltä elämä tulevaisuuden kaupungissa voisi näyttää. Tulevaisuuden kaupungissa suurin osa rakennusten ulkoseinistä on vuorattu aurinkopaneeleilla. Osassa niistä voi olla tämän lisäksi myös tuulivoimaloita.

Kuten edellä kerroin, energian säilöminen on erittäin tärkeä asia. Tulevaisuuden kaupungissa näitä energiavarastoja on talojen yhteydessä. Tämän lisäksi tulevaisuuden kaupungista huolehtiva tekoäly pyrkii jo lähtökohtaisesti tasapainottamaan energian tuotannon ja sen kulutuksen

Koska kaikki energia muuttuu lopulta lämmöksi, tulevaisuuden kaupungissa hukkalämpö otetaan talteen. Talteen otetun lämmön avulla pyöritetään sähkögeneraattoria, jonka avulla uutta sähköä voidaan taas tuottaa. Alueilla, jossa vuodenaikojen vaihtelu on suurta, lämpöä varastoidaan kesällä talven kylmiä kuukausia varten.

Kaupungeista tulee tulevaisuudessa myös monessa mielessä älykkäitä. Ne osaavat automaattisesti säännöstellä energiankulutusta asukkaiden tarpeiden mukaan. Tämä voi tarkoittaa sitä, että esimerkiksi sähköautot alkavat latautua vasta yöllä, kun sähköntarve luontaisesti vähenee.

Monessa asiassa me ollaan jo vahvasti matkalla tähän suuntaan. Onkin mielenkiintoista nähdä, miltä maailmassa näyttää esimerkiksi 2050-luvulla.

Lähteitä ja tutkittavaa

• https://www.telia.fi/telia-yrityksena/yritysvastuu/artikkeli/kiertotalous-on-ymparistoteko
• https://tieku.fi/teknologia/energia/ydinvoima/suolasta-kilpailija-ydinvoimalle
• https://www.science.org/content/article/rivers-could-generate-thousands-nuclear-power-plants-worth-energy-thanks-new-blue
• https://tieku.fi/teknologia/energia/nestemainen-ilma-varastoi-vihreaa-sahkoa
• https://www.statista.com/statistics/267158/number-of-nuclear-reactors-in-operation-by-country/
• https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition
• https://yle.fi/uutiset/3-8579535
• https://tieku.fi/teknologia/energia/maailman-suurin-keinoaurinko-tuottaa-vihreaa-energiaa
• https://indianexpress.com/article/what-is/what-is-synlight-all-about-the-worlds-largest-artificial-sun-in-julich-germany-4645944/