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



 

Jos rehkiminen ei huvita, syy voi olla geeneissä.

Monia liikunta palkitsee hyvän olon tunteella, mutta kaikille palkintoa ei tule, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan. Olo saattaa olla hikilenkin jälkeen enemmän runneltu kuin rento.

”Osa suomalaisten liikkumattomuudesta saattaa selittyä negatiivisilla tuntemuksilla”, sanoo jutussa liikuntapsykologian professori Taru Lintunen Jyväskylän yliopistosta.

Ihmiseltä saattavat puuttua hyvät kokemukset ja liikunnallisen elämäntavan mallit.

Perimälläkin on sormensa pelissä. Naisilla jopa puolet liikuntanautinnon vaihtelusta selittyy geeneillä, miehillä kolmannes.

Näin osoittaa vuonna 2014 julkaistu suomalainen tutkimus, joka perkasi perintötekijöiden osuutta liikuntamotivaatioon.

Tarkkaa syytä eroihin ei tiedetä. Yksi ehdokkaista on aivojen dopamiinirata. Se palkitsee niin syömisestä, seksistä kuin liikunnasta.

Dopamiinikylpy tuottaa aivoissa huumaavan euforian. Tutkimusten mukaan järjestelmän häiriöt vähentävät koe-eläinten liikkumishaluja.

Viime kädessä geenit ohjaavat mielihyväkoneiston toimintaa. Dopamiinin valmistukseen tarvittavat geenit toimivat toisilla kenties vilkkaammin. Erityisesti naisilla on liikuntamielihyvän kokemisessa geneettistä vaihtelua.

Yksilöiden erot ulottuvat laajemmallekin. Kaikki eivät saa liikunnasta yhtä paljon hyötyä – ainakaan heti.

Sama harjoittelu saattaa vaikuttaa ihmisiin eri tavoin. Yhden kunto kasvaa kohisten, mutta toinen ei saa tuloksia, vaikka kuinka rehkisi. Tutkijat puhuvat yksilöllisestä vasteesta.

Kuitenkin vaikka oma elimistö tuntuisi olevan immuuni liikunnalle, se voi olla vain harhaa. Tutkimuksissa tuijotetaan usein suorituskykyyn ja lihasvoimaan. Ne eivät ehkä hetkahda pienestä rasituksesta, mutta veren rasva- ja sokeriarvot saattavat parantua merkittävästi. Siksi liikuntaa voi suositella kaikille.

Kysely

Onko liikunta tuskien tie?

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.