Ennen lenkille mentiin kuluttamaan energiaa – nyt sitä voidaan liikunnalla tuottaa. Pieniä energioita haetaan kävelystä ja marssista, tanssilattiasta, jopa sateen ropinasta.

Teksti: Kalevi Rantanen

Julkaistu Tiede -lehdessä 7/2010.

Ennen lenkille mentiin kuluttamaan energiaa – nyt sitä voidaan liikunnalla tuottaa. Pieniä energioita haetaan kävelystä ja marssista, tanssilattiasta, jopa sateen ropinasta.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Jostakin on saatava sähköä kännyköihin, musiikkisoittimiin, sykemittareihin ja muihin vekottimiin, joita ehdottomasti pitää kantaa mukana ja joita kertyy yhä lisää. Teollisuus taas tarvitsee energiaa sensoreihin, jotka tarkkailevat koneiden ja ympäristön tilaa. Energian keruusta tai ”louhinnasta” on tullut kuuma aihe. Hypeä on paljon, mutta myös vakavaa tutkimusta tehdään. Ainakin armeijoilla on jalat maassa, kirjaimellisesti. Ihmisen kävelyliikkeestä on mahdollista saada tehoa noin 11 wattia, kertoo Puolustusvoimien Teknillisen tutkimuslaitoksen laatima sotatekninen ennuste vuodelle 2025. Näyttää hyvältä, sillä esimerkiksi kännykän teho vaihtelee vajaasta watista pariin kolmeen wattiin.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Pietsot jalkaan ja mars– Yhdysvalloissa on saatu kävelystä ulos 0,8 wattia, kuvaa tekniikan nykyistä tasoa tekniikan tohtori Jari Juuti Oulun yliopiston mikroelektroniikan ja materiaalifysiikan laboratoriosta. Hyvä teho jo sekin, riittää lataamaan energiapihin kännykän. Juuti on syventynyt pietsosähköisiin materiaaleihin, joita kenkävoimaloiden ja monien muidenkin energiankeruulaitteiden rakentajat suosivat. Jo 1800-luvulla havaitussa pietsosähköisessä ilmiössä mekaaninen kuormitus varaa tiettyjä kiteitä sähköisesti. Varauserosta saadaan virtaa. Nyt materiaalien ja elektroniikan kehitys on mahdollistanut käyttökelpoisten laitteiden valmistuksen.Oulu on yksi alan tutkimuksen keskuksista. – Suomi on vahva pietsosähköisissä materiaaleissa, Juuti kertoo. – Pystymme tekemään materiaaleja ja kehittämään sovelluksia laajalla alueella.Tärkeä soveltaja on armeija. Suomessa on äskettäin päättynyt Maanpuolustuksen tieteellisen neuvottelukunnan Matinen rahoittama energiankorjuun tutkimushanke, jossa testattiin pietsoelementtejä kengissä.

Akku painaa paljonArmeijat ovat erityisen kiinnostuneita energian keruusta. Pentagonin tutkimus- ja kehitysyksikkö Darpa, joka on keskittynyt tukemaan villejä ideoita, on rahoittanut energiankeruututkimusta pitkään. Britanniassa muun muassa Leedsin yliopisto tekee tutkimusta, jonka tavoitteena on ”akuton sotilas”. Tarvetta on. Nykyajan jalkaväkisotilas voi joutua kantamaan kymmenen kiloa akkuja aseen, ammusten, veden ja muun varustuksen lisäksi. Retkeilijät voivat suoraan hyödyntää sotilaallisen tutkimuksen tuloksia, mutta siviilipuolella omia tarpeita on vähintään yhtä paljon – kuka nyt erilaisia latureita rakastaisi. Kävelyn lisäksi energian lähteeksi kelpaavat lukemattomat muut liikkeet ja värähtelyt. Parhaillaan on esimerkiksi käynnissä Tekesin hanke, jossa kehitetään energiankeruuta teollisuudessa. Työkoneiden, laitteiden ja ajoneuvojen värinästä saadaan energiaa, jota tarvitaan esimerkiksi koko ajan lisääntyvissä mittauslaitteissa. 

Sadepisaroistakin voimaaEnergian keruussa kohtaa kaksi kehityssuuntaa. Ensimmäinen on elektroniikkalaitteiden sähkönkulutuksen pieneneminen. Toinen on tekniikat, joilla pieniä energiavirtoja pystytään muuntamaan sähköksi. Hyötykäyttöön tulee yhä enemmän energialähteitä, joita on aikaisemmin pidetty enintään eksoottisina mutta epäkäytännöllisinä fysikaalisina ilmiöinä. Mikroenergiaa on saatavana kaikkialta, vaikka sadepisaroista. Ranskalainen mikroelektroniikan tutkimuslaitos Cea/Leti-Minatec Grenoblessa ehdottaa sadepisaroiden voiman hyödyntämistä. Tutkijat tekivät pietsosähköisestä pvdf-muovista eli polyvinyylideenifluoridista 25 mikrometrin paksuisen kalvon, joka tuotti sähköä pisaroiden läiskähdyksistä.Yksi suuri sadepisara voi tuottaa 12 milliwatin tehon. Kokeiden perusteella tutkijat laskivat, että sade-energiaa tulee Ranskassa maahan yhden wattitunnin verran neliömetrille vuodessa. Suomen lukua ei luultavasti ole kukaan laskenut, mutta todennäköisesti se on suunnilleen sama, koska sademääräkin on sama eli noin 600 millimetriä vuodessa.Pisaroiden energiavirta on vaatimaton verrattuna esimerkiksi aurinkoenergiaan, jota tulee taivaalta noin miljoona kertaa enemmän. Pisarasähkön käyttäjiksi tutkijat ovatkin ajatelleet erilaisia sensoreita. Esimerkiksi langaton älysensori voisi ottaa energiansa poudalla auringosta ja sateella pisaroista.

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

Näin paljon tuotat energiaa

Uloshengitys  0,40 WHengitysliike 0,42 WKäsien liike 0,33 WSormien liike 0,00076–0,0021 WVerenpaine 0,37 WLämpö 2,4–4,8 WKävely 5,0–8,3 W

Kaikki peliin

AurinkoItalialaisen Tonino Lamborghinin laukku, jossa on väriherkistetty aurinkokenno, lataa kännykän. Brittiläinen G24 Innovations on tuonut markkinoille samalla tekniikalla toimivan repun.

Ilman värinäHavaijissa ja Hongkongissa toimiva Humdinger Wind Energy on kehittänyt ”tuulivyön”, microBeltin, joka taipuilee vähäisessä tuulessa ja tuottaa sähköä esimerkiksi rakennusten ilmastointilaitteiden sensoreihin.

LämpöEsimerkiksi BMW:n konseptiautossa Vision Efficient Dynamicsissa on lämpösähköinen kenno, joka tuottaa sähköä pakokaasuista.

LiikePrincetonin yliopiston professori Michael McAlpine työtovereineen ehdottaa kehon sisään implantoituja ”pietsokumisiruja” tuottamaan energiaa keuhkojen liikkeestä esimerkiksi sydämentahdistimelle. Georgian teknisen yliopiston tutkijaryhmä on professori Zhong Ling Wangin johdolla kehittänyt joustavia sinkkioksidinanolankoja, jotka voidaan ommella vaatteisiin tuottamaan sähköä musiikkisoittimia ja muita kannettavia laitteita varten. Saksalainen suunnittelija Rochus Jacob on kehittänyt Murakami-keinutuolin, joka keinuessaan tuottaa riittävästi sähköä ledivalaisinta varten.

MikrobitYhdysvaltalainen Trophos Energy on kehittänyt biosähkökemiallisia generaattoreita, jotka tuottavat maaperästä tai jätevedestä virtaa erilaisia langattomia ympäristösensoreita varten. Sensorit voivat valvoa esimerkiksi putkistoja.

KierrätysMichiganin yliopiston professorin Art Kuon vetämä tutkijaryhmä on kehittänyt jalkaproteesin, joka kierrättää takaisin osan kävelijän kuluttamasta energiasta, periaatteessa samaan tapaan kuin sähköauto tai hybridi ottaa talteen jarrutusenergiaa. Toistaiseksi kävelijältä menee enemmän energiaa proteesin kuin luonnollisen jalan liikuttamiseen.

Bilehileet sähköä tuottamaan Lontoolainen Club Surya kehuu olevansa maailman ensimmäinen ekoklubi. Pietsosähköinen tanssilattia tuottaa omistajan mukaan yli puolet paikan tarvitsemasta sähköstä. Tanssivoimala toimii myös rotterdamilaisessa Watt Clubissa, joka on laskenut, että yksi bailaaja tuottaa sähköä keskimäärin 20 watin teholla. PaveGen Britanniassa on testannut jalkakäytävävoimaloita, jotka tuottavat sähköä jalankulkijoiden liikkeistä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla