I materialtekniklaboratoriet vid Aalto-universitetet utvecklas nya material och ytbeläggningar för implantat

Inom ramen för ett EU-projekt har ett nytt och säkrare implantatmaterial tagits fram

Varje år behöver tusentals människor en protes, ett så kallat implantat, för att ersätta till exempel en skadad led. Implantat används oftast för att ersätta höft-, knä- och axelleder samt tänder.

För patienterna innebär en implantatoperation alltid en risk och i synnerhet bakteriella infektioner kan vara farliga. Fastän patienterna får mycket starka antibiotikakurer löper de ändå stor risk att insjukna i svåra infektionssjukdomar såsom lunginflammation eller sjukhusinfektion.

Under de senaste tjugo åren har man ofta använt titanbaserade legeringar som innehåller aluminium eller vanadin i implantaten. De här ämnena kan dock lösas upp i människokroppen och följden kan bli en främmandekroppsreaktion i vävnaden eller till och med förgiftningssymptom samt förhöjd cancerrisk.

Professorn vid institutionen för materialteknik vid Aalto-univeritetet Michael Gasik och hans forskningsgrupp deltar i ett fyraårigt EU-projekt som utvecklar nya och säkrare implantatmaterial.

Projektet är nu på slutrakan och resultaten är lovande: Det nya titanbaserade material som tagits fram inom ramen för projektet är bättre än de tidigare materialen. Det innehåller inget skadligt aluminium eller vanadin, det har en ny slags struktur och lämpar sig utmärkt för användning i människokroppen.

Med hjälp av en ny ytbeläggningsteknologi får det porösa implantatet en hållbar yta bestående av ett tunt lager bioaktivt glas, hydroxylapatit eller antibiotika.

Europeiska kommissionen har utsett projektet till ett de mest lovande projekten i EU:s sjätte ramprogram. Den nyutvecklade tekniken är redan delvis i användning som en kommersiell teknologi. Ett schweiziskt, ett italienskt och ett slovenskt företag har redan börjat tillverka provexemplar och den europeiska läkemedelsindustrins samorganisation har påbörjat forskning för att tillämpa teknologin i de prekliniska och kliniska skedena.

Mer information:

professor Michael Gasik
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
Institutionen för materialteknik
mgasik@cc.hut.fi
tfn 470 22769

Aalto-universitetet deltar i Suomen Nanoselluloosakeskus verksamhet

Nanocellulosa är ett av de hetaste forskningsämnena vid Aalto-universitetet. Det framställs genom sönderdelning av traditionella cellulosafibrer till ännu mindre fibriller som endast är en mikrometer långa och 5–20 nanometer breda. Cellulosamassan förändras och förvandlas till en vit, rentav genomskinlig, och handkrämsliknande pasta som gör produkter lätta, hållbara och formbara.

Nanocellulosans tillämpningsområde är mycket brett. Materialet används inte bara inom skogsindustrin, utan det finns även en stor efterfrågan på det inom fordons-, möbel-, bygg- och elektronikindustrin. De exotiskaste tillämpningsområdena finns inom kosmetika- och läkemedelsindustrin och då materialet används för genomskinliga OLED-skärmar.

Nanocellulosa kan dessutom formas till en superhård konstruktion. Aalto-universitetet siktar mot biomimetik där man imiterar biologiska konstruktioner, som till exempel musselskal, genom att använda nanocellulosa som ett av råmaterialen. Biomaterialforskningen ökar i allmänhet. Kan oljebaserade platsprodukter i framtiden ersättas av produkter som innehåller nanocellulosa?

Aalto-universitetets nanocellulosaforskning ökade betydligt under 2008 då universitetet tillsammans med VTT och UPM bildade Suomen Nanoselluloosakeskuks (Finlands nanocellulosacentrum). I dagsläget arbetar ett fyrtiotal forskare heltid på centret.

Nanocellulosa är en relativt ny upptäckt och därför började man med grundforskning om materialet på Aalto-universitetet. Ända från starten utvecklade man nya analysmetoder och tillverkningstekniker på egen hand. Nu har universitetet redan flera patent gällande tillverkningsmetoder och tillämpningar. Med anläggningen i Otnäs kan man på en dag redan tillverka flera kilo nanocellulosa av jämn och hög kvalitet med mycket låg energiförbrukning. 

Nästa mål är att ta fram produktmodeller, men grundforskningen om materialet kräver även fortsättningsvis mycket arbete. Forskarna måste utreda nanocellulosans grundegenskaper, hur den ska bearbetas och med vilka metoder man kan blanda den med andra material. Vidare krävs det mer forskning om materialets reaktioner och uppträdande i vattenlösningar.

Forskarna måste också försäkra sig om att det framställda materialet helt säkert är i nanoskala och har rätt slags kemiska egenskaper. För att bedöma kvaliteten på nanocellulosan använder de flera mikroskopiska (AFM och TEM) och spektroskopiska (NMR och XPS) metoder samt kemiska analyser, men det finns fortfarande ett behov av ännu fler metoder.

Sex av Aalto-universitetets forskningsgrupper deltar i arbetet med nanocellulosa: träförädlingens ytkemi (Janne Laine), träkemi (Tapani Vuorinen), materialfysik (Olli Ikkala), polymerteknologi (Jukka Seppälä) och pappersteknik (Jouni Paltakari och Thad Maloney).

Janne Laine, professor i träförädlingens ytkemi, fungerar som koordinator för forskningen om nanocellulosa på Aalto-universitetet.

Mer information

Professor Janne Laine
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
Institutionen för trädförädlingsteknik
T. 470 24233
janne.laine@tkk.fi

Vid Aalto-universitetet forskas i biotekniska tillverkningsmetoder för sällsynta sockerarter

Sällsynta sockerarter förekommer i små mängder i naturen. De är kalorisnåla och söta och inverkar ofta på flera olika sätt på hälsan.  Den mest kända och också mest producerade sällsynta sockerarten är xylitol.

Sällsynta sockerarter kan framställas av råvaror som är allmänt förekommande, som till exempel den laktos som fås från vassla eller druv- och fruktsocker som härstammar från vanligt socker. Lovande alternativ till framtidens sötningsmedel är olika nya sockerarter, som till exempel psicos som framställs ur fruktsocker och tagatos som framställs ur galaktos.

Vid Högskolan för kemiteknik vid Aalto-universitetet i Otnäs forskar man i olika biokemiska metoder att framställa sällsynta sockerarter. I det bioprocesstekniska laboratoriet arbetar en forskningsgrupp ledd av professor Matti Leisola med naturens egna ämnen, så att de börjar producera socker.

De har till exempel bearbetat en mjölksyrabakterie så att den börjat producera xylitol. Som arbetsredskap har man använt gentekniska tillverkningsmetoder. De har också forskat i enzymer som bildar socker, som till exempel enzymet glukosisomeras, som bildar fruktsocker av druvsocker.

Efterfrågan på sällsynta sockerarter inom både sötsaksindustrin och läkemedelsindustrin ökar kraftigt. I läkemedelsindustrin används de till exempel som råvaror för cancermediciner. Man har också upptäckt att en del sockerarter kan sänka kolesterolvärdet. De används också som råvaror för virusmediciner och till och med som bekämpningsmedel mot termiter.

De flesta av de uppfinningar som Leisolas grupp har gjort har patenterats eller licenserats av internationella företag. Som ett resultat av arbetet har fyra startup-företag och omfattande internationella nätverk uppstått.

De senaste uppfinningarna är ett enzym vid namn xylanas som tål höga temperaturer och som bryter ned kolhydratfiber, en bioteknisk tillverkningsprocess för sötningsmedlet mannitol samt den tidigare nämnda mjölksyrabakterien som tillverkar xylitol. Vid institutionen har man också utvecklat metoder som baserar sig på enzymkristaller, med vilka man till exempel kan rengöra den xylitol som produceras av mjölksyrabakterier.

Mer information:

professor Matti Leisola
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
Institutionen för bio- och kemiteknik
T. 47022546
matti.leisola@tkk.fi

I Aalto-universitetets oorganiska kemilaboratorium utvecklas nya miljövänliga termoelektriska oxidmaterial

Termoelektricitet är ett intressant fenomen där ett element som placeras mellan ett kallt och ett varmt utrymme producerar el. Elektronerna eller hålrummen mellan dem transporterar inte bara elström utan också värme. Termoelektriska generatorer kan användas överallt där det uppstår spillvärme, till exempel i industriella processer eller i bostadshus.

Ett lovande tillämpningsområde är att omvandla spillvärmen från bilarnas avgaser till el, eftersom termoelektriska generatorer är enkla och inte kräver stort utrymme. De skulle enkelt kunna fästats i bilen för att öka effektiviteten och minska bränsleförbrukningen.

Termoelektriska tillämpningar finns redan ute på marknaden i viss utsträckning. I till exempel kylväskor fungerar elementet som kylare och i klockor och rymdapplikationer producerar det ström så att inga batterier behövs.

I Aalto-universitetets oorganiska kemilaboratorium har en forskningsgrupp som leds av akademiprofessor Maarit Karppinen framför allt intresserat sig för termoelektriska oxidmaterial. Materialen tros ha en viktig betydelse för framtidens hållbara energiteknologi. De är miljövänliga och producerar inte växthusgaser.

Man strävar också efter att hitta de bästa möjliga termoelektriska materialen och anpassa deras kemiska sammansättning och kristallstruktur för att uppnå maximal kapacitet. Siktet är framförallt inställt på oxider som innehåller tenn eller zink samt tillämpningar som fungerar i temperaturer under 200 grader.

I dagens lösningar använder man ofta legeringar som innehåller tellur och som är skadliga för miljön. Gruppens mål är att utveckla nya element där man inte använder tellur och som har bättre egenskaper än element som innehåller tellur.

En utmaning är även att förbättra elementens verkningsgrad då den är låg i de nuvarande tillämpningarna, högst cirka tio procent. Verkningsgraden kan förbättras genom maximering av materialets elektriska ledningsförmåga och termoelektriska egenskaper samt minimering av dess värmeledningsförmåga. Alla egenskaper kan dock inte förbättras samtidigt och därför kommer slutresultatet att vara en kompromiss.

Termoelektriska oxidmaterial framställs i laboratoriet med den ALD-teknik som används vid tillverkningen av halvledare inom elektronikindustrin. I projektet har man för avsikt att även utnyttja metoden för elektronisk sintring som patenterades av VTT år 2005 och som gör det möjligt att pressa generatorer från rulle till rulle med en vanlig tryckpress.

Forskningen om termoelektriska oxidmaterial inleddes år 2009 på Aalto-universitetet. Två forskare ägnar sig åt projektet som finansieras av Tekes och Finlands Akademi. Tommi Tynell utvecklar tunnfilm av zinkoxid och Janne-Petteri Niemelä tunnfilm av titanoxid. I projektet deltar dessutom VTT, Helsingfors stad och flera företag. Projektet ingår också i ett betydelsefullt forskarutbyte med det japanska universitetet Nagoya.

Professor Maarit Karppinen
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
Institutionen för kemi
Tfn 470 22600
maarit.karppinen@tkk.fi

I processerna inom den kemiska industrin används ett stort antal blandningsbehållare. Dessa används för olika ändamål från algodling till anrikning av metall. Optimeringen av blandningen kan leda till stora energi- och råvarubesparingar. I laboratoriet för kemisk apparatteknik vid Aalto-universitetet utvecklas modeller, med hjälp av vilka dimensioneringen av blandningsbehållarna kan optimeras. Utvecklingen av en pålitlig modell kräver förståelse och en korrekt matematisk beskrivning av de fenomen som förekommer i behållaren. I laboratoriet har redan under ett år utförts mätningar på materialtransport och fasjämvikter.

Blandningen består ofta av flerfassystem, vätska, gas och fast substans, och de fenomen som förekommer är komplicerade. På grund av att experimenten är dyra i stor skala, har dimensioneringen av stora blandningsbehållare traditionellt baserats på försök i mindre skala. Förhållandena i en stor behållare kan ha stora lokala variationer, vilket gör att utveckling av bättre konstruktionsverktyg är viktig.

Målet är små bubblor och total omblandning

För att blandningsbehållaren ska fungera är det viktigt att känna till flödesfält och fasfördelning. Flödesfältet kan bestämmas t.ex. med PIV-teknik (Particle Image Velocimetry). Mätresultaten ger en noggrann bild av flödeshastigheter och -riktning, dvs. flödesfältet, på olika ställen i behållaren. Ett viktigt verktyg vid studierna av blandningen är flödesberäkning eller CFD (Computational Fluid Dynamics). Blandningsbehållaren uppdelas i små delar, celler och flöden mellan dessa beräknas. Man använder mellan tusen och miljoner celler. Flödesfältet är även här är ett viktigt resultat. Korrektheten i beräkningarna kan kontrolleras genom jämförelse av PIV- och CFD-värden.

Blockmodellen minskar behovet av beräkningseffekt

Flödesberäkning är en bra metod, men den kräver en väldigt stor beräkningskapacitet. Redan beräkningen av ett enkelt flödesfält kan ta flera dagar och de mer invecklade veckor. Blockmodelleringsmetoden, som utvecklats i laboratoriet vid kemisk apparatteknik förenar de goda egenskaperna hos CFD och minskar tiden som krävs för flerfasberäkning.

I blockmodellen uppdelas behållaren i större delar än i CFD, dvs. i block. Blockdelningen görs på basen av CFD-resultaten, så att de inre betingelserna i varje enskilt block är nästan konstanta. Eftersom det nu finns cirka 50–200 block, kan beräkningen göras betydligt snabbare. Då blocken väljs omsorgsfullt, förlorar inte beräkningen mycket av sin exakthet.

Med hjälp av blockmodellen kan relativt snabba dimensioneringsberäkningar utföras, där flera faser, materialtransport mellan faserna samt storleksfördelningen för bubblorna tas i beaktande. I den nyaste tillämpningen ämnar man använda blockmodellen för beräkning algtillväxten i olika bioreaktorer.

På grund av att beräkningen är snabb, men fortfarande noggrann, är modellen mycket intressant för industrin. Trots knappa tidsmarginaler inom industrin är modelleringen möjlig.

Mer information:

Professor Ville Alopaeus
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
Institutionen för bio- och kemiteknik

ville.alopaeus@tkk.fi

tfn 470 22630

- I den där lådan finns skyddsglasögon, och här ligger skyddshandskarna. Ta aldrig under några omständigheter av er skyddsglasögonen!

Tillsammans med ett tjugotal gymnasieelever i tredje årskursen från Hagalund befinner vi oss i laboratoriet för organisk kemi. Det handlar om det forskarläger som ordnats för att fira kemiåret, till vilket det denna vecka i maj har kommit sammanlagt tvåhundra gymnasister från huvudstadsregionen för att jobba med organisk, oorganisk och fysikalisk kemi.

− Jaha, en stunds tystnad, om jag får be.

Utmärkande för goda lärare är en bärande röst och ett ledigt presentationssätt. Och det har Pekka Joensuu, en forskare som undervisar i organisk kemi på lägret och som just nu berättar om arbetssäkerheten inom kemin och vilka faktorer som är förknippade med den.

− Hallå, det är hål i min rockficka! Eleven fortsätter att kolla in sin rock.

Den har uppenbarligen skyddat sin föregående bärare från stänk av utspädd svavelsyra.

Skyddsglasögonen är sponsrade av Borealis och laboratorierockarna skänkta av kemiindustrins branschorganisation. Det oväsen som uppstod under utdelningen dämpas dock fort.

− Närhelst det pågår aktiviteter i labbet ska skyddsutrustningen vara på. Det har aldrig inträffat några hemska olyckor i kemilabbet och det beror delvis på att kemister hela tiden måste ha koll på vad de gör.

De vitrockade ungdomarna lyssnar på den snabbpratande forskaren Pekka Joensuu med så allvarsam min som det bara går när man har precis har sluppit ifrån sin vanliga skola för ett tag.

− Vilken häftig kille, den viskande rösten är full i skratt.

Doftindustri

Arbetet kör igång.

− Jag hoppas att ni jobbar med öppna sinnen. I dag ska vi tillverka väldoftande estrar som är ett jättelikt område inom industrin.

− Schampo, tvättmedel, många saker som vi äter, och hm… de där tuggummina som sedan hamnar i soporna… Joensuu för befälet och ritar sedan en kemisk förening på tavlan och håller en liten föreläsning.

− Den största delen av fruktdofterna är estrar som här på bilden. Man skulle förstås kunna utvinna dofterna direkt från naturen, men det är billigare att tillverka väldoftande estrar av ämnen som förekommer naturligt. Det framställs miljarder liter årligen av de här doftämnena.

− Äppeldoft består av femton olika estrar. I dag ska vi bara tillverka de huvudsakliga nyanserna i några blandningar av fruktdoft.

− Då sätter vi igång, instruktionerna ligger på bordet. Ni måste hela tiden ha klart för er vad ni har i varje provrör. Ni ska märka upp varje provrör osv.

− Är någon osäker på hur man använder en pipett? Det här kan låta dumt, men tro mig, ni vill absolut inte behöva fundera på vad ni ska göra när ni står där med svavelsyra i pipetten.

Minerna framför dragskåpen är ibland allvarliga och sakliga, ibland skrattas det åt egna och andras tokiga rörelser och märkliga uttryck.

Det sorlas, man fyller provrören och observerar dem. Men händerna med provrören håller sig helt uppenbart långt inne i dragskåpen.

Säkerhetsbudskapet har gått hem, kanske också delvis genom erfarenheten med den stinkande smörsyran från härsket smör.

Som tur är får arbetet med esterifieringen sin belöning: snart svävar de första härliga päron-, hallon-, äppel- och banandofterna omkring i labbet.

Polymerteknologigruppen vid Högskolan för kemiteknik har utvecklat en ny nanobeläggning som gör att ett billigt och svagt papper kan få sådana egenskaper som liknar dem hos bestrukna finpapperstyper av högre kvalitet.

Den nya beläggningen är ett billigt och miljövänligt alternativ, eftersom den behövs i en mycket liten mängd. Dess gynnsamma egenskaper uppträder i regel redan vid en bestrykningsmängd på ett gram per kvadratmeter, medan de nuvarande finpapperskvaliteterna kräver olika polymerer och mineralfyllmedel i mängder upptill 5-10 gram per kvadratmeter. 

Återanvändningen av papperet är enklare då den utvecklade bestrykningen är vattenlöslig och inte innehåller störande polymerkomponenter. Den nya beläggningen möjliggör även en bättre utskriftskvalitet. Då man utförde provutskrifter på det nanobestrukna papperet såg man att tryckkvaliteten är skarpare. Detta beror på samverkan mellan papperets yta och tryckfärgen.

Polymeren som används vid nanobestrykning har en amfifil uppbyggnad varvid den innehåller både hydrofoba och hydrofila delar. Ett fullständigt obehandlat baspapper suger åt sig tryckfärg på ett okontrollerat sätt och tryckkvaliteten blir suddig. När polymeren innehåller en hydrofob del är det lättare att kontrollera inträngningen av tryckfärg in i pappersfibern.

Genom växelverkan avvisar nanobestruket papper delvis tryckfärg eller bläck vilket gör att dessa inte kan tränga in alltför djupt. Då förbättras även kvaliteten för dubbelsidig utskrift eftersom utskriften inte syns igenom papperet. Polymerteknologigruppen har studerat flera polymerers växelverkan med tryckfärgen. Det har varit viktigt att förstå genom vilken mekanism polymererna självordnas på papperets yta. Med hjälp av den i laboratoriet utvecklade tillverkningsmetoden kan papperets yta enkelt bearbetas så att den med hjälp av olika utskriftsmetoder bildar en bra tryckyta.

Det nya beläggningsmaterialet kan blandas i vatten. Dess användning vid vanlig papperstillverkning kräver inga större förändringar i tryckmaskinerna. De råvaror som krävs för bestrykningen är lättillgängliga. 

Forskningen startade som ett Tekes-finansierat projekt år 2004. Det framtida målet är att föra vidare den utvecklade metoden i en större skala och utveckla den att bli ekonomiskt lönsam för industriell tillverkning av papper.

Mer information

Professor Jukka Seppälä
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
t. 47022614
jukka.seppala@aalto.fi

De mest önskade egenskaperna hos metall är hållfasthet, duktilitet och beständighet. I exempelvis fordon föredras möjligast hållfasta men formbara metaller eftersom dessa egenskaper ökar säkerheten samt minskar mängden metall som krävs.

Då man önskar modifiera eller styra metallernas egenskaper måste deras mikrostruktur vara känd. Detta kan ses med ett mycket effektivt mikroskop. Metallerna uppvisar precis som vatten olika strukturformer. Omgivningens betingelser och ämnets uppbyggnad avgör den mikrostruktur som uppkommer: Snökristall, korn eller vätska.

Det modernaste sättet att undersöka betingelsernas och strukturens inverkan på stålets eller metallens mikrostruktur och egenskaper är datasimulering av fenomenet. Forskningsgruppen för metallurgi vid institutionen för materialteknik vid Högskolan för kemiteknik har utvecklat flera datorbaserade simuleringsmodeller.

Tvärvetenskapen vid utvecklingen av modellerna är mycket viktig. I samband med arbetet måste naturfenomenen först studeras noggrant och sedan omvandlas till matematiska ekvationer. Ekvationerna löses och omvandlas till programkoder. Slutligen utformas ett användargränssnitt åt programvaran och den valideras, dvs. bekräftas pålitlig.

Inom den närmaste framtiden är gruppens mål att koppla de utvecklade mikrostrukturmodellerna och egenskapsmodellerna till processmodeller. Denna kopplade modellhelhet kan sedan tillämpas vid metallernas framställningsprocess för att underlätta att uppnå de önskade mikrostrukturerna och egenskaperna. Den viktigaste simuleringsmodellen som utvecklats inom gruppen heter IDS (Interdendritic simulation model) och den används redan i stor utsträckning inom industrin såväl i Finland som utomlands. Med hjälp av IDS-programvara kan speciellt egenskaperna hos metallers struktur och kylningshastighet modelleras. Man kan även planera nya legeringar med ännu högre kvalité och framställningsmetoder för dessa. 

För tillfället utvecklas även simuleringsmodeller för stränggjutning av stål och olika metaller samt för efterhantering vid gjutningen av dessa. Det är även meningen att göra simulatorversioner för produktionsändamål inom industrin och koppla dessa till de utvecklade mikrostrukturmodellerna.

I metallurgigruppen påbörjades utvecklingen av simuleringsmodellerna redan år 1984 och cirka tio forskare och forskarassistenter har deltagit. Gruppen är bland de första som fått finansiering från både Tekes och EU (kol- och stålforskningsfonden, RFCS). Den har alltid satsat på att vara internationell och tvärvetenskaplig genom samarbete med bland annat Institutionen för matematik vid Jyväskylä universitet och olika institutioner vid Aalto-universitetet.

Under sin snart 30 år långa existens har gruppen haft ett stort antal samarbetspartners inom industrin. Den har koordinerat och deltagit i flera av Tekes produktutvecklings- och forskningsprojekt och även deltagit i samnordisk och europeisk forskning, framför allt i EU-projekt (Europeiska kol- och stålforskningsfonden).

Gruppens koordinator är professor Seppo Louhenkilpi. DI Jukka Laine (statistiska modeller) samt TkD Jyrki Miettinen (termodynamiska modeller) har också deltagit i gruppen nästan från start.

Mer information:

Professor Seppo Louhenkilpi
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik Institutionen för Materialteknik
tfn 47022758
seppo.louhenkilpi@tkk.fi

Företagens behov ledde till forskningsprojekt

Två forskargrupper vid Aalto-universitetets högskola för kemiteknik försöker få fram olika metoder att förbättra säkerheten samt motståndskraften mot fukt och värme hos litiumjonbatterier.  Det är möjligt att inverka på dessa egenskaper med materialval.

I de traditionella batterierna, där man använder koboltoxider som material i den positiva elektroden, kan reaktionerna vara mycket exotermiska, alltså avge värme. Om det är något fel på batteriet kan elektrolyten som en följd av detta förångas. Detta leder till att batteriet exploderar. Därför finns det ett säkerhetssystem, battery managment system, som hindrar att batteriet blir överladdat eller överurladdat.

Det finns känslig elektroteknik i batterierna, vilket innebär att olika delar kan gå sönder fast det finns ett säkerhetssystem.  Framförallt om delar i ett bilbatteri går sönder är följderna allvarligare än om batteriet i en mobiltelefon eller bärbar dator går sönder, eftersom det handlar om en större energimängd. Därför måste man fundera både på vilka material som kunde vara säkrare och vilka som kunde vara mera hållbara.

En annan fördel med litiumjonbatterierna är att de väger mindre än blybatterier. Litium är ett av de lättaste grundämnena och genom att använda litium får man batterier med liten volym och tyngd .

Litiumjonbatterier fungerar inte vid låga temperaturer. Forskarna försöker därför också komma på hur man kunde öka arbetstemperaturintervallen för denna typ av batterier.  Det skulle vara bra om bilbatterierna fungerade  även under kalla förhållanden. Batteriet är en dyr komponent, så det borde hålla länge. Batteriet måste hålla för så många laddnings-urladdningscykler som möjligt utan att  märkbart förändras. 

Funktionen förbättras genom att metallblandningar dopas

 Man har konstaterat att litiumjärnfosfat har egenskaper som gör det mera säkert än traditionella elektrodmaterial. De elektrokemiska reaktionerna är dock långsamma  när man använder litiumjärnfosfat. Forskarna har grubblat på om det är överföringen av elektronen eller litiumjonens mobilitet  i materialet som är den begränsande faktorn. Man försöker lösa dessa problem genom att bearbeta materialets egenskaper.

Därför har forskarna tillverkat en materialserie, där de systematiskt har ändrat litiumjärnfosfatblandningens sammansättning genom att på järnets plats blanda in små mängder av andra grundämnen och undersökt dess prestanda under kalla förhållanden. Det är detta som forskarna kallar för dopning.

Man har som följande tänkt testa förutom mangandopning även en nickelkoboltmangan-serie genom att variera andelen av de olika delarna. Syftet är att undersöka kemin bakom förändringarna i prestandan. Med andra ord beror förändringarna i funktionen på bindningsenergi eller bindningslängd.

Forskningsprojektet startades på företagsvärldens begäran

Stargnistan till projektet kom för tre år sedan från företagsvärlden. Företagen hoppades att de kunde få hjälp med framställning av material till litiumjonbatterier och med trycktekniken för elektroder.

Forskargruppen för oorganisk kemi som leds av akademiprofessor Maarit Karppinen koncentrerar sig på forskning i och framställning av material som behövs i batterierna och forskargruppen i fysikalisk kemi som leds av docent Tanja Kallio forskar i och utvecklar batteriernas elektrokemiska egenskaper.

Forskargrupperna har i några år arbetat med att nå den internationella nivån inom branschen. Man har skaffat den utrustning som behövs för att bedriva forskningen till universitetet.  Man har utnyttjat forskningsledarnas internationella kontakter  i forskningen. Innan Karppinen blev professor vid TKK arbetade hon i Japan och har därför goda kontakter med kinesiska och japanska experter samt med amerikanska materialforskare, som tagit emot finländska forskarstuderande.

Kallio har genom samarbete kontakter med Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Samarbetet har lett till nytt kunnande inom forskningen.

Forskningsprojekten kommer att pågå även nästa år. Man planerar att söka finansiering från Europeiska unionen och Tekes för eventuell fortsatt forskning.

Mer information:

Akademiprofessor Maarit Karppinen, maarit.karppinen@aalto.fi

Docent Tanja Kallio, tanja.kallio@aalto.fi

Vid institutionen för träförädlingsteknik vid Aalto-universitetet vill man höja nivån på byggande i trä.  Därför har man ett samarbete mellan professorer och forskare både vad gäller forskning och utbildning inom områdena för träproduktion, byggteknologi och arkitektur (PRA).

PRA-institutionerna har gemensamma kurser där professorerna i de här tre ämnena håller föreläsningar inom sitt eget kunskapsområde. Förutom själva kunskapen har de studerande också nytta av kontakten mellan de olika avdelningarna, där deras framtida samarbetspartner finns. Alla får insikter i byggnadsteknik, träproduktionsteknikens processer och arkitektdesign.

Vid Aalto-universitetet har man en mycket praktisk utgångspunkt för forskningen kring och utvecklingen av träbyggandet. Träbyggande ska vara en industriell verksamhet. All utveckling utgår från efterfrågan. Målsättningen är att skapa så högklassiga och energieffektiva byggnader som möjligt.

Internationell know-how från universitetet i München

Forskningsprojektet €CO2 representerar ett internationellt forskningssamarbete där Aalto-universitetet ansvarar för forskningen kring trämaterialens processer, Münchens tekniska universitet för användningen av trä i byggkonstruktioner, dvs. byggfysik, Linnéuniversitetet i Sverige för metodiken och VTT i Otnäs för Building Information Management, BIM. I projektet deltar också österrikiska Universität von Bodenkultur och en italiensk forskargrupp från Milano.

Syftet med €CO2-projektet är att klarlägga en träbyggnads koldioxidavtryck från utvinning av råvaror till färdig produkt,” vagga till grind”, samt bedöma utvecklingen under hela livscykeln. Projektet varar i 3,5 år och avslutas våren 2013.

Aalto-universitetet får också del av internationellt kunnande genom den fyraåriga FiDiPro-professuren vid institutionen för träförädlingsteknik som nu innehas av Stefan Winter, professor vid Münchens tekniska universitet. Hans specialområde är energieffektiva trähus och områden.

Mögelproblem ska lösas i tre stugor

Trähusens problem har i alla tider varit det mögel som uppstår på ytorna och i konstruktionerna. Projektet Three boxes vid institutionen för träförädlingsteknik ger sig på mögelproblematiken. På forskningsområdet för havsteknik i Otnäs kommer tre stugor att uppföras för forskningsändamål. Byggnadselementen i alla tre stugorna har samma U-värde, värmegenomgångskoefficient, men olika värmeisoleringsmaterial. Forskningsgruppen ska jämföra materialen i stugorna som byggts med lättstomme, stolpstomme och massivt trä och undersöka hur de här konstruktionerna beter sig under olika årstider i finländska förhållanden.

För att trygga en hög standard på träbyggande krävs ett gott utbildningsutbud. Just nu verkar det inte finnas tillräckligt med utbildning för krävande byggande i trä, såsom höghusbyggande. Forskarskolan Moderni puukaupunki (Modern trästad) som fortgår till årets slut vid Aalto-universitetet kan bidra till att förbättra situationen. Forskarskolan ordnas i samarbete med Uleåborgs universitet och Tammerfors tekniska universitet.

Aalto-universitetet har redan i många år deltagit i internationellt samarbete kring forskarskolor. Det första internationella forskarskolmötet hölls för åtta år sedan i München. Efter det har forskare träffats i Otnäs, Vancouver och Wien.

I början av nästa år ska forskare från träförädlingsavdelningen delta i en forskarskola om den byggda miljön och därmed fortsätter den internationella verksamheten. Verksamheten kommer inte att utvidgas nämnvärt, utan fördjupas i stället. För forskarna innebär det informations- och forskarutbyte.

Mer information:

Professor Matti Kairi

matti.kairi@aalto.fi

Ute i världen framställs butanol mestadels med stärkelse och rörsocker som råvaror. Utgångspunkten för Aaltos forskningsprojekt var emellertid att man bara skulle använda lignocellulosa eller träbiomassa som råvara, som inte konkurrerar med livsmedelsproduktionen. Det som är nytt i forskningsprojektet är också att man förenar modern cellulosa- och bioteknik. Det finns goda förutsättningar för en bioprocessutveckling av det här slaget i Finland tack vare landets utvecklade skogsindustri.

Alla delar av träbiomassan tas tillvara

Träbiomassan består av tre olika delar: cellulosa, hemicellulosa och lignin. Av dessa kan cellulosa och hemicellulosa användas som näringskälla för mikroberna i bioprocessen.

I den kraftprocess som numera används vid cellulosakokning produceras förutom cellulosa även svartlut, som i sig kan användas som energikälla, men duger inte åt mikroberna. I Aalto-universitetets forskningsprojekt modifierades cellulosakokningsprocessen så att varken cellulosan eller de övriga sackariderna skadas utan kan användas som råvara för mikroberna.

När träbiomassan kokas i en blandning av vatten, sprit och svaveldioxid kan träets beståndsdelar, cellulosa, hemicellulosa och lignin, separeras till egna, rena fraktioner. Av cellulosan kan man fortfarande tillverka papper, nanocellulosa eller andra produkter, och hemicellulosan kan användas som råvara för mikroberna för att producera kemikalier.

Butanol i tanken i stället för fossila bränslen

Butanolens egenskaper gör att den passar bra som trafikbränsle och den kan utgöra upp till 30 procent av bränslet utan att de nuvarande förbränningsmotorerna behöver byggas om. Enligt EU-kraven måste alla bränslen innehålla 10 procent biobränslen 2020.

Över 30 procent av butanolbränsleblandningens kväve- och koldioxidutsläpp är väsentligt lägre än med fossila bränslen. Etanol, till exempel, förbränns inte fullständig i motorn och det ger upphov till flyktiga ämnen som ökar luktföroreningarna i miljön.    

Mer information:

Tom Granström
Högskolan för kemiteknik
tom.granstrom@aalto.fi
tfn. 050 512 4232

Den ekonomiska utvecklingen och det ökande välståndet belastar jordklotet. Eftersom råvaruresurserna är begränsade, måste människan anpassa sin verksamhet efter jordklotets motståndskraft och samtidigt ta hänsyn till den ekonomiska verkligheten.

Miljövårdssatsningar och klimatpolicyer hjälper företag att minska och tillvarata sitt avfall. Företagen strävar efter att förbättra sin ekoeffektivitet genom att producera samma eller ett större antal produkter med färre naturresurser och avfallsmängder. Detta har lett till nya verksamhetssätt och innovationer som skapar nya marknader och möjligheter till affärsverksamhet.

Vid enheten för återvinningsteknik vid institutionen för materialteknik undersöker man bland annat vilka framtida målsättningar samhället har för att minska avfallsproduktionen och öka cirkulationen av material, samt hur företagen ska ta sig an dessa utmatningar. Forskningen fördjupar sig i hur industrins flöden av biprodukter kan utnyttjas på ett effektivare sätt samt hur uppkomsten av biprodukter kan hindras eller bromsas. Arbetet genomförs tillsammans med företagen. Forskningsmaterialet består av intervjuer, litteraturundersökningar, företagsdokumentation och offentliga handlingar.

”Vi undersöker även vilka affärsmässiga möjligheter detta medför för företagen och hur de kan dra fördel av att effektivt utnyttja biprodukter och verka som vägvisare i miljöfrågor”, säger forskare Nani Pajunen.

Samarbete över organisationsgränserna

Materialflödena börjar vid råvaruproduktionen och slutar i produktcykelns slutfas där de antingen återvinns till början av produktcykeln, överförs till en annan produktcykel eller slutförvaras som avfall på lämplig plats. Syftet är att öka materialeffektiviteten för processindustrins produktcyklar. Forskningen är särskilt inriktad på skogs- och metallindustrin. För att uppnå materialeffektivitet måste alla aktörer i produktionskedjan – från primärproduktion och tillverkningsindustri till återförsäljare – ha tillräckligt detaljerade kunskaper om produkten samt dess tillverkningsprocess och livscykel.

Alla aktörer under hela produktcykeln borde samarbeta över organisationsgränserna och försöka komma på nya innovativa verksamhetslösningar. En förutsättning för att detta ska lyckas är att centrala intressentgrupper identifierar behovet av förändringar som är betydelsefulla både ur miljösynpunkt och ekonomiskt perspektiv. Därtill måste de vara intresserade av att söka och finna innovativa lösningar samt att verkställa dem.

Vid Aalto-universitetets högskola för kemiteknik bedrivs forskning i gruppen för Kari Heiskanen, professor i materialteknik, i samarbete med Olli Dahlin, professor i miljöteknik inom processindustrin, och Ari Ekroos, professor i miljörätt vid Aalto-universitetets högskola för ingenjörsvetenskaper, samt deras grupper. Forskningen ingår i det redan avslutade ProDOE-projektet inom forskningsprogrammet KETJU, som finansieras av Finlands Akademi, samt i Metric- och Environmental Footprint-projekten inom forskningsprogrammen ELEMET respektive LIGHT, som båda finansieras av Fimecc Oy.

Hållbar utveckling och ekologiska fotavtryck

Syftet med Metric-projektet inom det pågående forskningsprogrammet är att i samarbete med företagen utveckla ett mätinstrument för processindustrin. Mätinstrumentet ska användas till objektiva och pålitliga mätningar av hållbarheten på koncernnivå och i enskilda fabriker inom koncernen. Detta är endast möjligt om man känner till själva processen och dess miljöbelastning. Förutom miljöpåverkan mäter instrumentet de ekonomiska och sociala effekterna. I Environmental Footprint-projektet koncentrerar man sig på att utreda det ekologiska fotavtrycket från nya byggnader i lättmaterial. Syftet är att ta fram ett verktyg som konstruktören kan använda för att redan i planeringsstadiet beakta produktens miljöpåverkan under dess livscykel. Med hjälp av denna information kan man fatta rätt beslut och på så sätt minska slutprodukternas ekologiska fotavtryck.

Mer information:

Forskare Nani Pajunen
Aalto-universitetet
Högskolan för kemiteknik
Institutionen för materialteknik
nani.pajunen@aalto.fi
tfn +358 50 301 0742, +358 40 550 4449

Aalto-universitetets bränslecellsforskning steg in i nanoåldern, när fyra forskningsgrupper i samma campus slog ihop sina kloka huvuden.

Vid Aalto-universitetet bedrivs forskning som är inriktad på optimering av bränslecellernas olika delar och förståelse av olika fenomen. Gruppen som leds av docent Tanja Kallio studerar vid institutionen för kemi bland annat direktmetanolbränsleceller, som har kolelektroder och mellan dessa ett fast polymerelektrolytmembran. Metanolen som matas till anoden oxideras, det vill säga avger elektroner, som vandrar till katoden genom den yttre strömkretsen. Där möts de av reducerad syrgas.

Vägen till en kommersiell tillämpning återstår fortfarande, eftersom vi endast har nått den maximala effekttätheten 50 milliwatt per kvadratcentimeter i cellerna, berättar Tanja Kallio.

För oxidering av metanolen krävs en ädelmetallkatalysator, som fästs vid kolanodens yta. Kallios grupp testar anoder tillverkade av kolnanofibrer och kolnanorör, med vilka man uppnår ett större förhållande mellan yta och volym än med traditionella anoder tillverkade av amorft kolpulver.

”När reaktionsytan är större blir oxidationen effektivare, och det behövs mindre av den dyra ädelmetallkatalysatorn. Kolnanomaterialen är också hållfastare än amorft kol, vilket ökar cellens livslängd.”

Om man lyckas få anodreaktionen att framskrida effektivare, kan man som bränsle använda ämnen med större molekyler än metanol, till exempel bioetanol, eller glycerol som bildas som bioprodukt från biodieselframställning.

Som produkter efter ofullständig oxidation bildas bland annat aldehyder, som man inte vill ha i cellen. När oxidationen är fullständig blir de enda produkterna koldioxid och vatten, och mer energi åstadkoms med en mindre mängd bränsle.

Samarbete är en styrka

Kolnanofibrerna och kolnanorören tillverkas under ledning av professor Esko Kauppinen. Båda består av grafenlager, men i rören tvinnar sig skikten till ihåliga rullar medan skikten i fibrerna packar sig ovanpå varandra. Fibrerna och rören funktionaliseras, till exempel med karboxylsyragrupper, och sedan fäster man på dem nanopartiklar av platina-rutenium som katalysatorer. Forskarna under ledning av professor Outi Krause fäster katalysatorerna på de funktionaliserade kolnanomaterialen genom atomlagertillväxt(ALD)-teknik och professor Sami Franssilas grupp framställer mikrobränsleceller.

”Vi har en utmärkt kedja sammansatt av tillverkarna av materialen och testarna av dem. Det känns bra att samarbeta med folk vid vårt eget campus”, tackar Tanja Kallio. Grupperna hittade varandra inom ramen för Aalto-universitetets MIDE-finansiering. Forskningsprogrammet för digitalisering och energiteknologi – Multidisciplinary Institute of Digitalisation and Energy (MIDE) – har samlat en samarbetskonstellation inom Otaniemi campus, med målsättningen att uppnå synergifördelar vid planering och genomförande av projekten, och för utnyttjande av resultaten.

Författaren är doktor i kemiteknik och arbetar som forskare vid Aalto-universitetet.

maija.pohjakallio@aalto.fi

 Direkt från energi till el

I bränsleceller omvandlas den kemiska energin direkt till el. Till skillnad mot förbränningsmotorer innefattar processen ingen omvandling till mekanisk energi, och en högre verkningsgrad uppnås.

Bränslecellernas grunddelar och funktion är av samma typ som i batterier. Cellerna tillförs dock kontinuerligt externt bränsle, medan i batterier för engångsbruk har allt bränsle förpackats vid ett och samma tillfälle.

Bränsleceller kan användas i tillämpningar av många olika slag, såsom i mobiltelefoner och andra bärbara elapparater, i bilar samt vid produktion av el och värme för byggnader.

Ibruktagningen av bränsleceller har skett långsamt på grund av deras höga utvecklings- och produktionskostnader samt bristen på distributionsnät för bränslen. Förhoppningarna på ett kommersiellt genombrott är dock högt ställda, och flera företag, såsom Toshiba, IBM, GM, Toyota, Opel och Honda, har investerat kraftigt i forskning inom området. Daimler strävar efter att lansera en Mercedes-Benz som drivs med vätebränsleceller till försäljning år 2014.

När slaggen från Rautaruukki i Brahestad blandas med askan från träförbränning resulterar det i en ny produkt, en jordförbättringspellet som används till skogsgödsling. Forskningsgruppen Ren teknik vid Högskolan för kemiteknik undersöker hur avfallet eller de flöden av fast avfall som uppstår som biprodukter inom processindustrin kan få nya användningsområden.

”Vi undersöker om avfallet från en industri kan fungera som råvara för en annan industri”, sammanfattar professor Olli Dahl, chef för forskningsgruppen Ren teknik.

Om biprodukterna från industrin övergår i lämplig form kan de användas på nytt. Forskningsgruppen Ren teknik har utvecklat symbiosprodukter där man genom att kombinera två fasta avfall från processindustrin har fått fram ett fungerande resultat.

Jordförbättringspelleten är en av produkterna som forskningsgruppen har åstadkommit och man utreder redan produktens kommersialisering. Därtill håller man bland annat på att utveckla betong som till hårdheten och hållbarheten är av något lägre klass än ren betong och som har fler användningsområden. Produkterna har visat sig vara tekniskt funktionella och även mycket miljövänliga sett till den uppskattade livslängden.

En ökad mängd fast avfall förebygger klimatförändringen

Enligt professor Dahl bidrar en ökad mängd fast avfall från processindustrin även till att förebygga klimatförändringen eftersom det släpps ut färre ämnen i atmosfären och vattendragen tack vare noggrannare rening. Eftersom ämnet inte försvinner kan vi tillvarata det som ett flöde av fasta biprodukter. Genom att kombinera processindustrins fasta biprodukter kan man åstadkomma till exempel en produkt som kan användas till skogsgödsling.

Koldioxidutsläppen från jordförbättringspelleten som har utvecklats av gruppen Ren teknik är dessutom betydligt lägre än utsläppen från produkter som framställs på syntetisk väg. ”Vid syntetisk tillverkning av tusen kilo jordförbättringspellet, med andra ord kalksten, uppgår koldioxidutsläppen till 12,2 GWP (kg, CO2-Eqv). För pellet som tillverkats av biproduktsflöden från industrin är utsläppen endast 1,6 GWP (kg, CO2-Eqv)”, förklarar Dahl. 

Från soptipp till råvarukälla?

Tyvärr hamnar inte alla industrins råvaror i slutprodukten. Det är alltså förnuftigt att återanvända industrins biproduktflöden istället för att lämna dem på soptippen. Dahl påpekar dock att soptippar med framtidens teknik skulle kunna fungera som färdiga råvarukällor eller -gruvor varifrån man kan utvinna värdefulla grundämnen som nickel och koppar.

”Problemet med industrisoptippar har tidigare varit att avfallet har blandats samman. Numera är särskilda delar av soptippen avsedda för särskilt avfall. Med framtidens teknik kommer man enklare att kunna få cirkulation även på dessa biproduktflöden. ”

Dahl tror att industrins flöden av fasta biprodukter kommer att öka explosionsartat i framtiden. ”I framtiden kommer hanteringen av materialflöden att vara ytterst viktig eftersom den mänskliga populationen och levnadsstandarden hela tiden ökar. Det finns bara en begränsad mängd grundämnen på jorden och de räcker inte för evigt. Därför måste materialflödena och cirkulationen av värdefulla ämnen effektiveras.”

Övergripande förståelse för industrins miljöbelastning

Enligt Dahl är det mycket viktigt att ha en övergripande förståelse för den miljöbelastning – avloppsvatten, utsläpp i atmosfären och fast avfall – som tillverkningsprocesserna orsakar och vilka faktorer som påverkar belastningen. Till exempel vet man inom skogsindustrin inte vad som händer inom metallindustrin eller gruvindustrin och tvärtom. Forskningsgruppen Ren teknik försöker dock behärska ett omfattande industrifält för att få cirkulation på biproduktflödena och spara värdefulla naturresurser. Gruppen bedriver även traditionell forskning om rening av avloppsvatten.

Dahl menar att avloppsvatten kan renas så att det blir fullt drickbart och utsläpp i atmosfären så att de blir helt rena. Det går dock åt väldigt mycket energi till reningen och därför skulle miljöbelastningen endast överföras till en anläggning som producerar el.

”Framtidens ingenjörer måste göra medvetna val och besluta i vilken form processens miljöbelastning ska tas ut. Ska ämnena släppas ut i luften, i avloppsvattnet eller lämnas på soptippen? Forskningsgruppen Ren teknik tar ställning till frågorna med ett helhetsperspektiv för att hitta de lösningar som är bäst för miljön.”

Mer information:

Professor Olli Dahl

olli.dahl@aalto.fi

Den ursprungligen i Finland utvecklade atomlagertillväxten (ALD) är en metod vars hjälpt man ur gasformiga utgångsämnen kan skapa tunna membran på olika ytor, atomlager för atomlager. Bland fördelarna med ALD finns en god reproducerbarhet och kontroll av membranets tillväxtprocess, en enkel justering av membranets tjocklek och de odlade membranens utomordentliga egenskaper, till exempel deras jämnhet och täthet.

Numera finner ALD användning inom elektronik- och halvledarindustrin, och nya tillämpningsobjekt tillkommer kontinuerligt. Membranen som framställs är oorganiska, till exempel olika oxid- eller nitridmembran. Först under de allra senaste åren har man börjat undersöka användning av ALD vid odling av hybridmembran, det vill säga membran som innehåller oorganiska och organiska föreningar.

Forskning i startfasen

Den första forskningspubliceringen avseende hybridstrukturer härrör från år 2007, och tills vidare finns det globalt endast några få grupper som studerar frågan aktivt. En av dessa, och den enda i Finland, är verksam vid Aalto-universitetets högskola för kemiteknik, i en grupp som leds av professor Maarit Karppinen. "Hybridmembran är intressanta, eftersom man i dem på ett mångsidigt sätt kan förena olika egenskaper som finns hos oorganiska och organiska ämnen", berättar forskaren Pia Sundberg.

Gruppen har framställt nya typer av ytbeläggningar ur titantetraklorid och oxidanilin. "I teorin bildas membranet av periodiska titan- och dianilinlager, men i praktiken överlappar lagren varandra. Det bildade membranet är amorft och mycket jämnt, och även stabilt. Tjockleken hos tidigare publicerade hybridmembran har kunnat förändras ända upp till tjugo procent på grund av luftens fuktighet ", beskriver Sundberg de uppnådda resultaten.

För närvarande koncentrerar man sig i gruppen på testning av membranens egenskaper. "Vi studerar hur membranets egenskaper förändras när man förändrar förhållandet mellan mängderna av oorganiska och organiska delar." Enligt Sundberg kan oorganiska ämnen tillföra membranet elektrisk ledningsförmåga samt mekanisk och termisk stabilitet, medan den organiska delen i sin tur kan öka membranets bearbetningsbarhet och elasticitet.

Framtida tillämpningar

Hybridmembran är en så ny sak att man inte har hunnit utveckla några praktiska tillämpningar för dem. Möjligheter finns bland annat i sensorer, katalysatorer, organisk elektronik under utveckling och olika tillämpningar av ytbeläggningar.

Gruppen har tillsammans med VTT drivit ett samarbetsprojekt, i vilket man strävade efter att förbättra förmågan hos biopolymerer att fungera som ett spärrlager som förhindrar fukt och syre att tränga igenom. "I detta arbete använde man inte titandianilinmembran, eftersom temperaturen vid framställningen av den är för hög för biopolymerer. Däremot belades biopolymerens yta med aluminiumoxid och alcon. Det senare är ett hybridmembran sammansatt av trimetylaluminium och etylenglykol vid låg temperatur. Arbete pågår med en artikel om forskningen", berättar Sundberg.

Från en oansenlig början växer det globala intresset för hybridytbeläggningar hela tiden. Detta öppnar nya användningsmöjligheter för ALD, ända till industriella tillämpningar. Aalto-universitetet har deltagit i forskningen om hybridmembran från början och arbetet inom området fortsätter.

Mer information

Forskare Pia Sundberg,

pia.sundberg@aalto.fi

Forskningen vid institutionen för kemi kom igång i början av 2012 och är en del av forskningsprojektet eSINi. Enligt forskningsdoktor Tanja Kallio undersöker projektet hur laddningen påverkar olika batterityper och deras hållbarhet. Batteriet i en elbil är en dyr och viktig komponent. Att överlåta det till en utomstående part, till exempel ett energibolag, för laddning och urladdning kräver visshet om vilken inverkan detta har på batteriet. Kallio funderar att en fri användning av batteriet skulle kunna intressera energibolagen. Innan sådan praxis skapas ska man emellertid försäkra sig om att batteriet inte kommer till skada.

– I litiumjonackumulatorer finns ett BMS (Battery Management System) som ansvarar för ackumulatorernas säkerhet. Normalt styr detta system laddningen av batteriet och förhindrar överladdning och andra felsituationer. Om det inte är säkert att en utomstående part och BMS:et passar ihop måste BMS-systemet utelämnas ur batteriet. Likväl måste man kunna förvissa sig om säkerheten hos batteriet, berättar Kallio. 

En cell stor som en bok i ett svalskåp

Eftersom de litiumjonackumulatorer som undersöks inom eSINi har så många tillverkare och kemin bakom batterierna är så olika står institutionen för kemi till tjänst med sitt kunnande för att analysera skillnaderna mellan batterityperna. Vid institutionen bedriver man samtidigt egen forskning kring batterimaterial, men forskningsprojektet eSINi fokuserar på de batterier som redan finns på marknaden. Det man undersöker är huruvida man i Finland kan använda en bil som till exempel tillverkats i Spanien och som använder en litiumjonackumulator.

Enligt professor Kyösti Kontturi har liknande forskningsprojekt genomförts tidigare, men den långa vintern och det kalla klimatet i Finland är nya forskningsaspekter. Således kan resultat som erhållits på andra ställen inte generaliseras att gälla här.

– I laboratoriet vid institutionen för kemi undersöks i praktiken i stället för ett helt modellbatteri en motsvarande cell som representerar hela batteriet inom vettiga gränser i fråga om ström, spänning och effekt, berättar Kallio. Materialkemin hos en cell som är ungefär lika stor som en bok undersöks i till exempel ett klimatskåp med reglerbar temperatur så att köldens inverkan på batteriet klarnar. Om en viss batterityp går sönder eller börjar fungera dåligt på grund av den kalla luften plockar man isär det och försöker utreda varför det inte fungerar. 

Forskningsprojektet eSINi (Electrical Vehicle Charging Infrastructure for Urban Environments) strävar efter att göra det möjligt att i synnerhet i huvudstadsregionen ta elbilar i omfattande bruk. Inom projektet planeras och undersöks behovet av olika slags laddningspunkter och annan infrastruktur som hänför sig till bilarna.

Forskningsprojektet eSINi är en del av en omfattande planeringshelhet i fråga om eltrafik. Det är ett parallellt forskningsprojekt med projektet för eltrafik i huvudstadsregionen (Pääkaupungin sähköinen liikenne) och dess huvudfinansiärer är Tekes program EVE och Helsingfors stads program En innovativ stad.

Eftersom råoljereserverna så småningom minskar har utvecklingsarbetet om och produktionen av förnybara bränslen ständigt ökat. Traditionella biobränslen är bioetanol, som tillverkas av majs, vete och sockerrör, samt biodiesel, för vilket man använder oljepalm och avfallsfetter som råmaterial. Konsistensen på bränslen som tillverkats på detta sätt är dock annorlunda än hos motsvarande fossila bränslen, och dessutom används inte råmaterialet som livsmedel.

Förnybar diesel är däremot ett biobränsle av toppkvalitet som liknar fossil diesel och som tillverkas av växtoljor och avfallsdjurfetter. Genom att i en fabriksprocess tillsätta väte får man ett högklassigt bränsle, en blandning av kolväte, som till sina egenskaper till och med är bättre än fossil diesel.

Förnybart och borta från livsmedelskedjan

En olja kallas för mikrobolja om den har producerats med mikro-organismer från organiska föreningar, till exempel socker. Mikroberna som producerar oljan kan vara bakterier, jäst, mögel eller mikroalger. Mikrobolja kan förädlas vidare till önskat bränsle.

”Utgångspunkten för den här forskningen har varit att som råmaterial för mikroboljan använda fullständigt förnybara råämnen som är avfall eller rester och som inte längre ingår i livsmedelskedjan. I praktiken betyder det här lignocellulosa, som det finns mest av i växtbiomassan. Till exempel avfall från skördearbetet på lantbruk, energiväxter, rester av träd inom såg- och pappersindustrin samt pappersavfall kan användas. Målsättningen är att återvinna kolet som råämnena innehåller i så stor utsträckning som möjligt”, berättar professor Simo Laakso.

Neste Oil och Aalto-universitetet har som ett resultat av forskningen lämnat in en patentansökan om oljetillverkning med hjälp av jäst och mögel. ”Vi använder säkra jäst- och mögelsvampar som kan fås från allmänna, offentliga och kommersiella samlingar”, betonar Laakso.

Av sin torrvikt producerar mikroberna till och med 60–70 procent olja. Kolvätesammansättningen hos förnybar diesel som tillverkats av mikrobolja kan med hjälp av en förädlingsprocess ändras, varpå man får olika slutprodukter som diesel eller fotogen. Processen omfattar endast en liten mängd utsläpp och användningen av kemikalier är minimal. Man uppnår en hög minskning av växthusgaser när man använder avfall och rester som råmaterial för mikrobolja.

Därtill skulle en storskalig övergång till mikrobolja även föra med sig andra fördelar. Professor Laakso ger två exempel: ”Svavelutsläppen från råoljan försvinner, eftersom mikrobolja är helt svavelfritt. Med användningen av rester från jordbruk kan man minska bildandet av växthusgaser i jordmånen, till exempel metan, eftersom resterna istället för att ruttna används för att producera mikrobolja. Man odlar ris på ca tio procent av jordens odlingsyta. Efter skörden plöjs stråna ner i fälten, där de ruttnar och bildar metan. Det här är en växthusgas som är mycket kraftigare än koldioxid. Om man skulle använda den här utsläppskällan för oljeproduktion skulle även den försvinna.”

Finland är en föregångare

Enligt professor Laakso har man inom universitetets samarbetsprojekt med Neste Oil under de fyra gångna åren avancerat från den grundläggande forskningen ända fram till planeringen av en försöksanläggning. ”All sakkunskap för den grundläggande forskningen har funnits under samma tak hos oss. Ungefär ett dussin sakkunniga från olika branscher har deltagit i projektet, och för tillfället deltar även fem forskarstuderande”.

Mikroboljan kan börja produceras kommersiellt tidigast år 2015. Kapaciteten hos Neste Oils befintliga anläggningar för förnybar diesel i Borgå, Rotterdam och Singapore är 2 miljoner ton per år.

Samarbetet mellan Neste Oil och Aalto-universitetet har lyft fram Finland som en föregångare bland de som utnyttjar mikrobolja. Professor Simo Laakso är nöjd med samarbetet och resultaten som uppnåtts. ”Neste Oil gav oss fria händer för att genomföra forskningen och vi har alltid haft tillgång till bolagets specialkunskaper vid behov.”

Mera information:

Professor Simo Laakso, simo.laakso@aalto.fi

Tunnplåtar i metall behövs för de mest olikartade ändamålen i samhället, och de produceras i enorma mängder i stora valsanläggningar. Vid formningen av plåtarna används i huvudsak traditionella formningsmetoder som djupdragning och sträckformning. De förutsätter dyra apparater och former, så det är nödvändigt att tillverka identiska föremål i stora mängder. Produktionsprocessen börjar med planering av formen och kan med alla skeden pågå i flera månader.

Men hur gör man då om man så snabbt som möjligt skulle vilja tillverka en prototyp, ett enskilt föremål eller en liten mängd produkter? I det här syftet har man utvecklat en ny formningsmetod för tunnplåt som kallas incrementalformining. Uppfinningen kom till i Japan för bilindustrins behov. På Institutionen för materialteknik har man i stor omfattning undersökt det tryckformade materialets egenskaper och användningsmöjligheter. Arto Komulainen har till exempel skrivit sitt diplomarbete på institutionen om tryckformning, och i sitt arbete undersökte han även metodens lämplighet för tillverkning av inredningselement.

–  Många av oss har under slöjdtimmarna tillverkat en bastuskopa genom att banka på en tunn, rund metallskiva på ett underlag, observerar DI Tuomas Katajarinne som är forskare på Institutionen för materialteknik vid Aalto-universitetet.

– Vi bankar inte tvångsmässigt med hammare, utan vi använder en vanlig industrirobot som hjälp, berättar han, och visar hur en rörlig formningsspets, som datorstyrs med CAM-programmet, på plåtens yta formar tunnplåten i önskad form, den här gången till en skål. Vid positiv inkrementalformning riktas formen uppåt från plåtens yta, och i negativ nedåt. Smörjning minskar friktion och förbättrar ytkvaliteten.

I stället för en formningsspets kunde roboten använda i princip vilket verktyg som helst, till exempel en kulspetspenna, med en noggrannhet på mindre än en millimeter. Tillverkningen från planeringsstadiet till en produkt genomförs som snabbast på mindre än en timme. Tillverkningen sker med hjälp av en plåthållare och en enkel form, eller i vissa fall till och med utan form, vilket sparar tid och kostnader.

Jämfört med traditionella metoder töjer sig den inkrementalformade metallen mer utan att brista. Materialet formas annorlunda, så man kan tillverka mångsidiga produkter av det. Metodens flexibilitet möjliggör nya användningsmöjligheter för metall bland annat för inredningsplanerare och konstnärer.

– Institutionen för materialteknik undersöker vad tryckformning är lämpligt för, men de som sköter om de ekonomiska resurserna bestämmer vad man kommer att börja använda det till, konstaterar Katajarinne realistiskt.

Han ser många möjligheter med metoden. Till exempel sjukhus skulle kunna gå över till att använda formade väggytor och inredningselement av koppar, eftersom koppar dödar bakterier. Med tryckformade fasadelement i metall kunde man också trolla fram en ny glans på förorternas tråkiga cementhöghus.  Samtidigt fungerar de som isolering och väderskydd.

– Det finns dock fortfarande mycket kvar att göra innan tryckformningen erövrar världen, påpekar Katajarinne.

Han påminner om att forskarna fortfarande är oense om formförändringsmekanismerna som sker vid inkrementalformning av metall. Det är mycket viktigt att även undersöka hur tryckformade produkter beter sig i kritiska miljöer. Om man till exempel skulle börja använda tryckformade komponenter i flygplansvingar skulle de behöva ha minst samma egenskaper som de aktuella komponenterna.

- Förpackningen är produktens användargränssnitt, den bygger upp varumärket, är ett kommunikationsmedium och en del av upplevelsen som vi får med produkten, konstaterar Markus Joutsela, forskare vid Aalto-universitetets institution för medier, som utvecklat kursen PACK-AGE för planering av förpackningar och är dess huvudansvariga ledare.

I slutgalan för PACK-AGE den 16 maj presenterades kursdeltagarnas nya och till och med överraskande lösningar för företag och publiken. Studerandegruppen Team Nokias kreativa idé för Nokia-telefoner var multifunktionella och hållbara förpackningar av ett nytt formbart faner, Grada, som UPM lanserat. Inspirerade av Lumia-smarttelefonens namn planerade man vackra stiliserade snökristaller på en del av förpackningarna (Lumia - lumi - snö).

Av produktförpackningen av faner skapades tre olika koncept för samlarförpackningar. Det första konceptet leker med tanken att också en förpackning kan erbjuda något trevligt att syssla med och tilläggsvärde för ägaren. I konceptet återgår man till fotograferingens rötter genom förpackningen – camera obscura som förpackning ger något nytt och intressant jämsides med kameratelefonerna. Förpackningen döljer inom sig vätskorna och pappren för framställning av traditionella pappersbilder. Mobilens röda ljus kan fungera som mörkrumslampa. Idén är att förflytta sig bakåt i tiden då fotograferingen krävde mera insikt än knäppandet av bilder med de moderna mobilerna.

Team Nokias andra koncept utnyttjar fanermaterialet som estetiskt föremål. Telefonen är låst mittemellan två halvbågar så att den kan ligga i vilken ställning som helst utan att skadas och tillbehören göms bakom telefonen. Förpackningen omvandlas till ett annat föremål genom att ändra dess ställning. Till exempel ställd på sned kan den fungera som väckarklocka som har telefonen som bildskärm.

Gruppens sista och kanske mest praktiska koncept var mobilens laddningsaggregat av faner. I den har laminerats teknik för trådlös elöverföring som laddar apparaten utan sladd. QR-koden innehåller hela telefonens bruksanvisning, varvid en tryckt anvisning inte längre behövs.

En förpackning som gör det möjligt att äta medan man går

Atria efterlyste av kursen en förpackningslösning för Food-on-the-go-produkterna. Dylika produkter lämpar sig för människor som har bråttom och sådana som inte kan eller är intresserade av att laga mat själv. Förpackningen borde vara praktisk och användarvänlig så att man kan avnjuta produkten till exempel när man går. Team Atria kom fram med flera behändiga förpackningskartonger, till exempel Lapfood-konceptet som tack vare formgivningen hålls i famnen eller på handen, eller Break – it `n´ Shake – it- konceptet där köttet och salladen blandas först när användaren vill genom att trycka på förpackningens lock.

För prototypstadiet valdes dock konceptet som kallas Muki (Muggen). Det är en kartongmugg gjord av Billeruds FiberForm-material där salladens kärna, till exempel kycklingen, fisken eller tofun och såsen finns i en cylinder i muggens mitt. När man äter salladen tar man bort muggens lock och drar upp cylindern. Det saftiga köttet blandas då jämnt i salladen. FiberForm som använts i muggen är mera formbart än andra material, vilket gör det möjligt att pressa olika figurer på dess yta. Materialet känns angenämt och naturligt och figurerna på muggens yta förbättrar greppet ytterligare. Salladsmuggen passar i alla standardmugghållare som finns till exempel i bilar, biosalonger och flygplan.

Team Kannisto + Anton&Anton sökte fram idéer för en ekologisk brödförpackning för Anton&Antons butik i Kronohagen i Helsingfors som också skulle kunna fungera som ett medium med tilläggsvärde i konsumentens vardag. Gruppen presenterade två olika koncept för en brödförpackning. I det första fungerar papperspåsen som konsumentens guide och den berättar med hjälp av rolig infografik om det färska brödets livscykel.

Ledaren för PACK-AGE-kursen, Markus Joutsela berättar att företagen har varit positiva till kursen och dess resultat. Också det interdisciplinära samarbetet mellan lärarna fungerade bra och inlärningsresultaten är övertygande. Sålunda kan kursen, som varit ett pilotprojekt vid Aalto-universitetets Media Factory, anses vara en succé och kursen får en fortsättning igen nästa år.    

Företagen med kurssen är Nokia, Atria, Valio, Saarioinen, Verman, Kannisto,   Anton&Anton, Stora Enso, Billerud, UPM och Starcke.

Den förtjänstfulla forskningen som genomfördes vid VTT gav Arola priset för det bästa lärdomsprovet inom bioteknik 2011. Erkännandet delas ut av den Biotekniska avdelningen, som fungerar under Kemiska Sällskapet i Finland.

Antikropparna identifierar också mycket små molekyler, som till exempel hormoner, vitaminer eller till och med toxiner.

Rekombinant- eller kombinationsantikropparna, till vilka de ämnen som Arola utvecklat hör, kan bland annat användas i snabbtester.

De molekyler, antigener, som man letar efter, binder sig effektivt vid sina antikroppar. Detta innebär att man med hjälp av snabbtester snabbt får reda på om det finns markörer i provet eller inte.

Förutom inom läkarvetenskaplig diagnostisering behövs snabbtesterna inom livsmedelshygienen och när man undersöker miljöprov.

Mögelgifter ett nytt objekt

Man kan förmånligt producera stora mängder kombinationsantikroppar genom att i fermentorer odla bakterier som innehåller antigenen, berättar Henri Arola.

"När vi känner till antikropparnas aminosyresekvenser och kristallstrukturer kan vi med hjälp av datorer planera ändringar i det önskade genområdet och till exempel framställa antikroppar som binder sig ännu bättre till sin antigen."

Som bäst fortsätter Arola sin forskning vid VTT. Han håller på med sin avhandling som handlar om ett nytt slags antikroppar.

"Vi håller på att utveckla antikroppar mot mögelgift.  Syftet är att utveckla snabbtestmetoder med vilka man inom livsmedelsindustrin kan ta reda på om det förekommer tecken på mögelgift i spannmåls- och andra livsmedelsprov."

Sisko Loikkanen

Henri Arola presenterade sitt diplomarbete vid Suomen bioteollisuus ry:s 15-årsjubileumssemiarie, där han också tog emot sitt pris som var värt tusen euro.

Bild: Carmela Kantor-Aaltonen