Energiankäyttö tehostuu, kun nano tekee aurinkopaneeleista halvempia, akuista tiheämpiä ja valaisimista kylmempiä.

Teksti: Marko HamiloEnergiankäyttö tehostuu, kun nano tekee aurinkopaneeleista halvempia, akuista tiheämpiä ja valaisimista kylmempiä.

Julkaistu Tiede -lehdessä 11/2010

Auringonvalosta on perinteisesti voinut tehdä sähköä joko tehokkaasti tai halvalla. Aurinkopaneelit, jotka muuttavat neliömetrille tulevaa auringonvaloa sähköksi hyvällä hyötysuhteella, ovat kalliita. Uudet, halpoihin valmistustekniikoihin perustuvat kennot taas saavat auringon energiasta hyödynnettyä yleensä vain alle kymmenen prosenttia.Nanotekniikan avulla on mahdollista valmistaa aurinkokennoja, joissa tehokkuus yhdistyy edullisiin valmistuskustannuksiin, sanoo Yhdysvaltain uusiutuvan energian laboratorion (NREL) tutkija Arthur Nozik. Hän puhui aiheesta alkuvuodesta Yhdysvaltain tiedeviikolla San Diegossa.Nozik pyrkii siihen, että kolmannen sukupolven aurinkokennoilla voisi tuottaa jo vuonna 2015 sähköä viidellä sentillä kilowattitunti. Aurinkosähkö alkaisi silloin kilpailla fossiilisten energialähteiden kanssa.Nozikin mukaan yksi tällainen kolmannen sukupolven ratkaisu olisivat nanokiteet eli niin sanotut kvanttipisteet. Niiden avulla yhdestä fotonista voidaan saada kaksi elektronia, kun nykyään saadaan vain yksi elektroni fotonia kohti. Tällaiset aurinkokennot hyödyntävät laajemman spektrin auringonvalosta kuin perinteiset aurinkopaneelit. Lisäksi nanokiteitä on helppo valmistaa.Toistaiseksi nanokidekennojen teho on aivan liian pieni, mutta parhaimmillaan hyötysuhde – eli kuinka paljon auringonvalosta olisi parhaimmillaan muutettavissa sähköksi – voisi nanokiteillä nousta jopa 65 prosenttiin, Nozik väittää. Parhailla piipaneeleilla hyötysuhde on vain 33 prosenttia.Nanokidekennot voi myös valmistaa joustaviksi. Paneeleja voi kääriä rullalle, jolla voi vaikka päällystää telttakankaan tai rinkan.

Akku vetää kymmenkertaisesti

Nanoteknologialla tulee olemaan suuri merkitys paitsi sähkön tuotannossa myös sen varastoinnissa ja käytössä. Yhdysvaltain tiedeviikolla puhuneen Stanfordin yliopiston energiatutkijan Yi Cuin mukaan nanolanka-akut voivat parhaimmillaan mullistaa sähkön varastoimisen.Stanfordin yliopistossa Kaliforniassa kehitetty, nanokokoisiin piilankoihin perustuva uudenlainen akku kykenee varastoimaan jopa kymmenkertaisen määrän energiaa verrattuna samankokoiseen tavalliseen litiumakkuun. Ja modernit litiumakutkin varastoivat sähköä sentään nelisen kertaa enemmän kuin autojen lyijyakut.Litiumioniakkuun mahtuu enemmän litiumia ja sen ansiosta enemmän energiaa, jos anodi valmistetaan piistä eikä hiilestä kuten yleensä on tapana. Tämä tapahtuu kuitenkin kestävyyden kustannuksella. Pii paisuu, kun se sitoo litiumioneja. Kun se luovuttaa ioneja, se kutistuu. Anodin rakenne ei kestä tällaista vaihtelua pitkään.Stanfordin yliopiston tutkijat kiersivät ongelman valmistamalla anodin ruostumattomasta teräksestä, jonka päälle he kasvattivat piistä nanokokoisia lankoja. Ne pysyivät koossa lukuisien kutistumis- ja paisumisvaiheiden ajan. Paitsi että akusta saatiin näin pienempi ja kevyempi, tekniikka mahdollistaa akun nopean latauksen ja purkamisen.Kymmenkertainen energiatiheys onnistui vain ensimmäisellä latauksella. Sen jälkeen akkuun mahtui varausta kahdeksankertaisesti tavalliseen litiumakkuun verrattuna. Tämä parannus perustui pelkästään akun anodin kehittämiseen. Cuin mukaan katodia parantamalla energiatiheys voisi kasvaa entisestään.Nanolanka-akkujen kaupallistuminen kestää muutamia vuosia. Cui uskoo, että ladattua wattituntia kohden nanolanka-akut maksaisivat saman verran kuin perinteiset litium­ioniakut.Kymmenkertainen energiatiheys mahdollistaisi esimerkiksi kannettavat tietokoneet, joita voisi käyttää päivätolkulla lataamatta. Lähemmäksi todellisuutta tulisi myös haave sähköautosta, jota voisi ajaa lataamatta yhtä pitkiä matkoja kuin bensa-autoja tankkaamatta.

Spottivalaisusta muotia

Nykyään 75–95 prosenttia valaistukseen käytetystä sähköstä menee hukkaan lämpönä, joka kuumissa maissa pitää vielä jäähdyttää energiaa kuluttavilla laitteilla. Euroopassa on haluttu edistää viileämpien energiansäästölamppujen yleistymistä kieltämällä hehkulamppujen myynti. Kestävä ratkaisu löytyy kuitenkin erilaisista led-valaisimista, uskoo tiedeviikolla puhunut nanotutkija Julia Phillips Sandian laboratorioista.Yhdysvalloissa valaistus syö 22 prosenttia koko maan sähkönkulutuksesta, Phillips muistutti. Nanoteknologia voi auttaa valmistamaan piipohjaisten ja orgaanisten ledien ohella aivan uudenlaisia ratkaisuja kotien ja toimistojen valaisemiseen. Tällaisia voivat olla esimerkiksi valaisevat nanolangat tai nano­kiteet.Phillipsin mukaan ledit ja aivan uudet nanovalaisimet korvaavat nykyiset valaistusratkaisut parissakymmenessä vuodessa ja vähintään puolittavat valaistuksen sähkönkulutuksen.Nyt monet kodinsisustajat vielä yrittävät imitoida energiansäästölampuillakin perinteisen hehkulampun lämmintä ja yleensä melko kohdentamatonta valoa. Phillips uskoo, että led-valaistuksen vallankumous ei jää vain energiansäästöön. Kotien ja muiden sisätilojen valaisemiseen liittyvät esteettiset käsitykset saattavat muuttua myös. Pieniä led-valaisimia voi helposti sijoittaa huoneessa minne vain, ja niillä voi valaista juuri halutun kohteen.– Suhteemme valaistukseen muuttuu, kun spottiledit yleistyvät, Phillips väittää.

Marko Hamilo on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Suomalaistutkija havaitsi, että maaseudun monimuotoinen luonto saattaa suojata koiria allergialta. Se antaa tukea biodiversiteettihypoteesille.

Kaupunkilaiskoirilla on enemmän allergioita kuin maaseudulla asuvilla. Vähiten allergioita on koirilla, jotka elävät maalla maalaismaiseen tapaan monilapsisessa, muitakin eläimiä omistavassa perheessä ja saavat ulkoilla vapaasti kotipihalla.

Tällaisia asioita koirista Jenni Lehtimäki sai selville väitöstutkimuksessaan, josta Helsingin Sanomat kertoo jutussaan.

Ihmisistä tosin ei samanlaista yhteyttä löytynyt allergioiden ja asuinpaikan väliltä.

Lehtimäki testasi biodiversiteettihypoteesia. Sen mukaan immuunijärjestelmämme häiriintyy ja allergian tapaiset tulehdusperäiset sairaudet lisääntyvät, kun ympäristön monimuotoisuus hupenee ja me altistumme entistä vähemmille luonnon mikrobeille.

Väitöskirja koostui neljästä tutkimuksesta, joista kaksi käsitteli lapsia ja kaksi lemmikkikoiria.

Kummassakaan lapsitutkimuksessa ei löytynyt merkittävää yhteyttä allergioiden ja ihon mikrobien tai luonnon monimuotoisuuden välillä.

Toisin oli lemmikkien laita. Koiranomistajille suunnatun kyslytutkimusken mukaan sairaimpia olivat kaupunkilaiskoirat, joista noin 17 prosentilla oli allergiaa. Maalla osuus oli viitisen prosenttia.

”Kysely osoittaa ensimmäistä kertaa urbaanin ympäristön ja muun nisäkkään kuin ihmisen allergian välisen yhteyden”, Lehtimäki kertoo.

Vielä selvemmän näytön tarjoaa neljäs tutkimus, johon osallistui yhteensä 170 labradorinnoutajaa ja suomenlapinkoiraa.

Se paljasti, että eniten allergioista kärsivät kaupungissa esimerkiksi kerrostalossa asuvat koirat, joilla on ”urbaani elämäntyyli”. Niiden hoidosta vastaa yksi ihminen, joka harrastaa monenlaista ja lenkkeilee paljon koiran kanssa.

Harvinaisimpia allergiat ovat maalaiseen tapaan maalla elävillä koirilla. Niiden iholla on viljalti ympäristöstä peräisin olevia bakteereja.

Lehtimäki ihmettelee, miksi ympäristön ja allergian yhteys tuli ilmi koirilla muttei lapsilla.

”Allergia on monimutkainen sairaus ja ihmiselämä on monimutkaista, mikä saattaa piilottaa ympäristön vaikutuksen”, hän miettii.

Täysin piiloon ihminen ei kuitenkaan jäänyt. Kyselytutkimuksessa paljastui, että jos allergia vaivaa koiraa, omistajakin on todennäköisesti allergikko. Tämä johtuu epäilemättä jostain yhteisestä tekijästä koiran ja omistajan elämäntavoissa tai ympäristössä.

”Maaseutumaisessa ympäristössä koiran ja ihmisen elimistö altistuu mikrobeille, jotka jollakin tavalla tukevat immuunijärjestelmän toimintaa”, Lehtimäki toteaa.

Kysely

Uskotko biodiversiteettihypoteesiin?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.