Superkondensaattori hakkaa nopeudessa akun, mutta sähköä siihen ei vielä mahdu likimainkaan yhtä paljon. Nyt superkonkkaa parannetaan nanotekniikan uusimmilla löydöillä.




Nanotekniikka lupaa uusia ratkaisuja yhteen ikuisuusongelmaan, sähkön varastointiin. Nanosuperkondensaattoria on hurjimmissa ennusteissa jo tarjottu perinteisen akun tilalle.

Nanolaitteet toimivat vasta laboratorioissa, mutta tavalliset superkondensaattorit tekevät ihmeitä jo lukemattomissa koneissa ja laitteissa. Niiden ansiosta energian kulutus alenee busseissa ja nostureissa parhaimmillaan kymmeniä prosentteja.

Mutta mitä kumman vempaimia superkondensaattorit oikein ovat? Akun tuntee jokainen, mutta superkondensaattori ja usein tavallinenkin "konkka" ovat maallikolle outoja laitteita.

Konkan valtti on nopeus

Akku on kemiallinen sähkövarasto. Ener¬giaa varastoidaan ja puretaan elektrodien hapettuessa ja pelkistyessä.
Kondensaattori puolestaan on sähköinen varasto, joka koostuu kahdesta toisistaan eristetystä johdelevystä. Kun levyihin kytketään jännite, toinen levy varautuu positiivisesti ja toinen negatiivisesti.

Ominaisuuksiltaan akut ja kondensaattorit ovat toistensa vastakohtia. Akku pystyy säilyttämään paljon energiaa, litiumakku noin 150 wattituntia kiloa kohti. Sen sijaan kondensaattorin energiatiheys on vain tuhannesosia tästä eli kiloa kohti se on alle 0,1 Wh.

Nopeudessa taas voittaa kondensaattori, joka purkautuu ja varautuu silmänräpäyksessä. Akku tarvitsee samaan tunteja, koska kemialliset reaktiot kulkevat hitaasti. Kondensaattoreita onkin käytetty radiotekniikassa ja muussa niin sanotussa heikkovirtatekniikassa, jossa sähkömäärät ovat pieniä mutta ilmiöt nopeita.

Sähköä pakataaan ionikerroksiin

Jo varhain insinöörit haaveilivat laitteista, jotka yhdistäisivät kondensaattorin ja akun edut. Esimerkiksi jarrutusenergian talteenotto ja kiihdytykset kulkuneuvoissa ja työkoneissa vaativat kondensaattorimaista nopeutta ja akkumaisia sähkömääriä.

Yhdysvaltalainen sähkökemisti Robert A. Rightmire, joka kollegoineen kehitti polttokennoja öljy-yhtiö Standard Oilissa, keksi 1960-luvun alussa sähkökemiallisen kondensaattorin. Siinä levyjen välissä on elektrolyytti, jonka ionit muodostavat johdelevyjen pintaan toisen varauskerroksen.

Ladattaessa ionit kertyvät elektrodien pintaan, ja purettaessa ne hajaantuvat elektrolyytin sisään. Akuista poiketen mitään kemiallisia reaktioita ei kuitenkaan tapahdu, vaan sähköä sitoutuu ja vapautuu ionien liikkuessa. Siksi Standard Oil kutsui laitetta aluksi "sähkökineettiseksi kondensaattoriksi". Mainostajat nimesivät sen sitten super- tai ultrakondensaattoriksi.

Pöyhkeästä nimestä huolimatta laite on kompromissi perinnäisten tekniikoiden välillä. Energiatiheys on kyllä monikymmenkertainen tavalliseen konkkaan verrattuna, mutta jää silti 5-10 wattituntiin kiloa kohti eli hyvin kauas akusta.

Käy kännykkään ja voimalaan

Muutaman wattitunnin energiatiheys kuulostaa köyhältä, mutta sillä tekee ihmeitä monessa paikassa.

- Superkondensaattorit ovat yleistyneet kuluttajaelektroniikassa ja teollisuuden sovelluksissa, kertoo Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen VTT:n erikoistutkija Raili Alanen, joka on syventynyt energian varastointiin.

Nostolaitteissa ja työkoneissa superkondensaattoreita käytetään energian talteenottajina ja varavoimavarastoina. Niitä löytyy myös katkeamattoman virransyötön varmistuslaitteista.

Aurinkoenergian ja tuulivoiman käyttö lisää lyhytaikaisten sähkövarastojen tarvetta. Jo nykyään superkondensaattoreita käytetään tuulivoimaloissa, lähinnä potkurin lapakulman säätölaitteissa varavoimalähteinä.


Nano tuo lisää pintaa

Nanotekniikan edistys on saanut tutkijat haaveilemaan vielä enemmästä. Ehkä superkondensaattorin energiatiheys voidaan nostaa akun tasolle ja ohikin?

Energiatiheys riippuu elektrodin pinta-alasta. Sitä taas pystytään kasvattamaan nanorakenteilla.

Massachusettsin teknisen yliopiston MIT:n professori Joel E. Schindall työtovereineen kasvatti muutama vuosi sitten alumiinialustalle miljoonia nanohiilikarvoja. Harjasten yhteispinta-ala on paljon suurempi kuin perinnäisen elektrodimateriaalin, aktiivihiilen.

Monet tutkijaryhmät kehittävät nyt nanoharjoja edelleen. Texasilaisen Dallasin yliopiston nanotutkijat Jiyoung Oh ja Mihail Kozlov tavoittelevat kevyttä ja helposti valmistettavaa sähkövarastoa liittämällä yksiseinäisiä hiilinanoputkia polypyrroli-nimiseen johdepolymeeriin. Yliopisto ehti jo viime vuonna julistaa, että autojen akut voivat kohta olla museotavaraa.


Kalvot ja kuidut tulossa

Useimpien asiantuntijoiden mielestä nanosähkövarastot ovat vielä kaukana arjesta.

- Pelkillä nanoputkiratkaisuilla ei ole raportoitu juuri sen parempia tuloksia kuin aktiivihiilellä, sanoo Raili Alasen kollega Jari Keskinen, joka on tutkinut superkondensaattoreita. - Niiden tuoma parannus näkyy useimmiten parantuneena sähkönjohtavuutena, mikä taas kasvattaa ennemminkin teho- kuin energiatiheyttä.

Huomenna voi olla toisin, ajattelevat nanotutkijat. Heillä on jo ideoita energiatiheyden nostamiseksi.

Professori Rodney Ruoff kollegoineen, myös Texasista mutta toisesta, Austinin yliopistosta, hyödyntää äskettäin keksittyä hiilen uutta olomuotoa, tasomaista grafeenia. Nanohiilikarvojen sijasta he aikovat kasvattaa yhden atomin paksuisia kalvoja grafeenista, jolloin saadaan suuri pinta.

Suomalaiset tutkijat hakevat parannuksia nanoputkikondensaattoriin toisesta suunnasta, selluloosasta.

Puhtaat hiilinanoputket käyttäytyvät usein hankalasti, esimerkiksi takertuvat toisiinsa. Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijat ovat professori Jorma Virtasen johdolla yhdistäneet hiiliputkiin nano¬selluloosakuituja. Selluloosa pitää putket erillään, jolloin elektrodin pinta-ala saadaan hyvin suureksi.


Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Peruskäsitteet

- Akku - sähkövarasto, jossa energia varastoidaan kemiallisten reaktioiden avulla.

-  Kondensaattori - sähköstaattinen energiavarasto.

- Superkondensaattori eli ultrakondensaattori - sähkökemiallinen energiavarasto, jossa energiaa varastoidaan ionien liikkeen avulla.

- Nanosuperkondensaattori - superkondensaattori, jonka ominaisuuksia on parannettu siirtymällä nanomitan rakenteisiin.


Käyttökohteita

- Hissit

- Nosturit

- Trukit

- Sähkötyökalut

- Tietokoneet

- Kännykät

- Kamerat

- Bussit ja kuorma-autot

- Hybridiautot

- Tuuli- ja aurinkovoimalat



 

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25737
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1186
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.