Uusi kuvausteknologia näkee metsän terveydentilan tavalla, johon ihmissilmä ei pysty
Uuden kehitteillä olevan teknologian avulla metsien ja viljelysten kasvua voi seurata etänä – ja nähdä asioita, jotka muuten saattaisivat jäädä huomaamatta.
Ilmastolle kevyempää betonia
Betoni on maailman toiseksi suurin ilmastopäästöjen aiheuttaja – ja sen kysyntä vain kasvaa. Aalto-yliopiston uraauurtavassa Radical Ceramics -projektissa etsitään ja tutkitaan perinteisen betonin vaihtoehtoja, joilla on potentiaalia mullistaa maailma.
Teksti Amanda Ruggeri
Video Anna Berg
Kuvat Mikko Raskinen ja Johannes Kaarakainen
Tutkija Ville Repo teki alkuvuonna 2023 laboratoriossaan testejä kainuulaisella savella. Tavoitteena oli selvittää, voisiko alueen savesta valmistettu materiaali korvata betonin valmistuksessa perinteisesti käytetyn sementin, kun se ensin kuumennettaisiin 750 asteeseen ja käsiteltäisiin sen jälkeen oikealla tavalla.
Noin puolet näytteestä oli kaoliinia. Se on yleinen, pehmeä ja usein valkoinen mineraali, joka on peräisin miljoonien vuosien kuluessa rapautuneesta kiviaineksesta. Kaoliinia on tutkittu ja satunnaisesti myös käytetty vaihtoehtona sementille eri puolilla maailmaa. Kuumennuksen jälkeen materiaali jäähdytettiin, jauhettiin ja lopulta sekoitettiin emäksiseen liuokseen. Repo hämmästyi lujuuskokeiden tuloksista. Käsiteltynä suomalaisesta savesta tehty betoni saavutti jopa 74 megapascalin lujuuden, kun tavallisen betonin lujuus on yleensä 30–50 megapascalia.
Mahdollisuus, että kaoliiniseos voisi osoittautua betonia vahvemmaksi, tuntui innostavalta. Betoniteollisuus on nimittäin tätä nykyä maailman toiseksi suurin hiilidioksidipäästöjen aiheuttaja. Sen osuus kokonaispäästöistä on 8 prosenttia.
"Se on hirvittävä määrä hiilidioksidia", mineraalipohjaisten materiaalien ja mekaniikan tutkimusryhmän väitöskirjatutkija Ville Repo sanoo.
Suurin osa betoniteollisuuden kasvihuonekaasuista aiheutuu kalkkikiven kuumentamisesta noin 1 450-asteiseksi. Lisäpäästöjä syntyy kuljetuksesta, sillä kalkkikivi ja muut materiaalit joudutaan usein kuljettamaan tuotantolaitoksiin pitkien matkojen takaa.
Betonin ja vastaavien materiaalien globaali kysyntä kuitenkin kasvaa jatkuvasti. Sementtiä kulutettiin maailmanlaajuisesti vuonna 2020 noin neljä miljardia tonnia. Määrä on yli kaksinkertaistunut 20 vuodessa.
Juuri tämän vuoksi Repo ja muut tutkijat pyrkivät löytämään sementille vaihtoehtoja, joiden valmistaminen ei vaadi yhtä paljon energiaa ja joita ei tarvitse kuljettaa yhtä pitkiä matkoja. Niissä monissa maailmankolkissa missä raaka-ainetta on saatavilla, kaoliini voikin osoittautua ihanteelliseksi ratkaisuksi. Useimmille tutkijoille Revon tulokset olisivat olleet jättipotti, joka määrittää akateemisen uran suunnan. Revon tilanne on toinen.
Osittain se johtuu siitä, ettei kaoliinia ole Suomessa laajalti. Repo haluaa löytää paikallisemman vaihtoehdon. Mutta kyse on muustakin.
"Olisimme voineet valita helpon tien ja keskittyä pelkästään kaoliiniin. Mutta me haluamme löytää jotakin uutta, mennä vielä vähän pidemmälle."
Radikaali lähestymistapa
"Pidemmälle meneminen" – uusien prosessien ja materiaalien kehittäminen tunnetun tiedon rajat ylittämällä – voisi olla epävirallinen slogan Aalto-yliopiston innovatiiviselle tutkimusryhmälle, johon Repokin kuuluu.
Vuonna 2022 perustetulla Radical Ceramics -tutkimusryhmällä on melko poikkeuksellinen tavoite: sen pyrkimyksenä on tuoda yhteen taiteen ja materiaalitutkimuksen, muotoilun ja rakennustekniikan tutkijoita – siis alojen, joiden välillä harvoin nähdään mitään yhteistä – ja kannustaa heitä jakamaan keskenään ideoita, menetelmiä ja jopa maaperä- ja savinäytteitä.
Päämääränä on selvittää, miten savea ja muita luonnonmateriaaleja voitaisiin käyttää geopolymeerien ja alkaliaktivoitujen materiaalien valmistuksessa. Geopolymeerit ovat mineraaleista koostuneita polymeerejä, joita voidaan käyttää yleisimmän sementtityypin, perinteisen kalkkikivipohjaisen portlandsementin korvaajina. Ne ja muut vastaavat materiaalit voisivat tarjota vihreämmän vaihtoehdon niin rakennusbetonille kuin studiokeramiikallekin, sillä geopolymeerien valmistamiseen kuluu vähemmän energiaa ja niihin voidaan käyttää paikallisia materiaaleja, mikä tarkoittaa myös lyhyempiä kuljetusmatkoja.
Radical Ceramics -ryhmän edistysaskeleista on innostunut muun muassa Maarit Mäkelä, joka on itsekin ryhmän jäsen. Mäkelä toimii professorina Aalto-yliopiston taiteiden ja suunnittelun korkeakoulun muotoilun laitoksella.
"Olemme jo onnistuneet valmistamaan pienen mittakaavan geopolymeerejä, joiden muodot ovat aivan täydellisiä, pääasiassa kuutioita", hän sanoo.
Kesäkuussa Mäkelän tutkimusryhmä julkaisi ensimmäisen virallisen tutkimusartikkelinsa, jossa esiteltiin ryhmän ensimmäisiä tuloksia, kuten sitä, että geopolymeerit saattavat tarjota vähäenergisen vaihtoehdon keramiikalle, joka usein vaatii jopa 1 300 celsiusasteen polttolämpötilan. Mäkelän tutkimusryhmän käyttämiä geopolymeeriseoksia ei sen sijaan tarvinnut edes polttaa, sillä ne kovettuivat jo 80 asteessa. Ryhmä hyödynsi seoksissa muun muassa suomalaista raakasavea, vulkaniittia ja jopa posliinijätettä.
Geopolymeerien mahdollisesti tarjoama hyöty ei kuitenkaan perustu ainoastaan siihen, että niiden kovettuminen kuluttaa vähemmän energiaa, tutkijat sanovat. Etua on myös siitä, että niiden raaka-aineena voitaisiin hyödyntää jätteitä, jotka muutoin päätyisivät kaatopaikoille.
Suomessa savimaa on yleensä liian pehmeää, jotta sitä voitaisiin hyödyntää rakentamisessa sellaisenaan, Repo sanoo.
"Siksi savesta on ensin päästävä. Rakennustyömailta kaivetaan valtavasti savijätettä, joka kipataan maankaatopaikalle. Sekin vie melkoisesti energiaa ja aiheuttaa päästöjä, kun maa-ainesta kuljetetaan kilometrikaupalla."
Pelkästään Helsingissä kuljetetaan vuosittain noin 800 000 kuutiometriä saastumatonta maa-ainesta keskimäärin vähintään 50 kilometrin päähän kaatopaikalle.
Radical Ceramics -tutkimusryhmän visioissa siintää toisenlainen tulevaisuus: sellainen, jossa rakennustyömaalta kaivettuun saveen sekoitetaan suoraan kohteessa vaikkapa läheisen tehtaan keramiikkajätettä ja seos hyödynnetään rakennuskäytössä paikan päällä.
Yllättävän yksinkertainen prosessi
Aalto-yliopistossa rakennustekniikan väitöskirjaa tekevä Luis Huaman sanoo, ettei tutkijoiden visio ole niin kaukaa haettu kuin ensi näkemältä saattaisi luulla. Kuten muidenkin tutkimusryhmän jäsenten, hänen taustansa on ihan muualla kuin geopolymeerien maailmassa, nimittäin geologiassa.
Perussa syntynyt Huaman teki kotimaassaan yhteistyötä professori Joseph Davidovitsin kanssa, joka on maailman johtavia nykyaikaisten geopolymeerien asiantuntijoita. Huaman kiinnostui asiasta erityisesti niiden monien mahdollisuuksien vuoksi, joilla tekniikkaa voitaisiin hyödyntää juuri Perussa. Kaivostoiminta on maassa yleistä, ja rikastusprosessissa syntyy tyypillisesti – yleensä myrkyllisiä – sivutuotteita, jotka varastoidaan maa-aineksella täytettyihin jätepatoaltaisiin. Jätepadot ovat ympäristölle haitallisia ja usein myös vaarallisia, ja niiden murtumisriski on suhteellisen suuri. Pahimmillaan jätepadon murtuminen vaarantaa ihmishenkiä.
"Meillä on tarve vähentää kaivosjätteiden määrää ja niiden varastoimista patoaltaisiin. Niille ei tällä hetkellä ole ympäristöystävällisiä käyttökohteita, ja joissain tapauksissa ne voivat olla jopa vaarallisia", Huaman sanoo.
Hän kuitenkin oivalsi, että jätteiden joukossa on silikaatteja, joita voitaisiin käyttää täyteaineena geopolymeeriseoksissa.
Oikeanlaisilla materiaaleilla geopolymeerien valmistusprosessi on Huamanin mukaan "hyvin yksinkertainen". Ensin kaoliiniin tai lentotuhkaan sekoitetaan natriumia, kaliumsilikaattia tai natriumhydroksidia. Sitten seokseen lisätään täyteaineita, kuten hiekkaa tai kaivannaisjätteiden sekaan jääneitä silikaatteja. Materiaalin annetaan kuivua huoneenlämmössä tai kovettua uunissa. Vuorokauden kuluttua seos on jo riittävän kovaa käytettäväksi. Eikä prosessissa syntyvän materiaalin etu rajoitu siihen, että se on yhtä vahvaa tai jopa vahvempaa kuin betoni. Jotkin seokset tarjoavat muitakin hyötyjä, kuten palonkestävyyden.
"Se on yksi syy, miksi kiinnostuin geopolymeereistä. Niiden valmistaminen on niin helppoa, että se onnistuu vaikkapa keittiössä", Huaman sanoo.
"Syrjäiseen paikkaan ei nimittäin ole helppo perustaa teollisuuslaitosta. Materiaali, jota on helppo valmistaa paikan päällä, sopii paremmin tarpeisiimme."
Kaikuja menneisyydestä
Vaikka nämä innovaatiot tuntuvatkin uusilta, niitä kannattaa ehkä pikemminkin ajatella muinaisten käytäntöjen elvyttämisenä, huomauttaa Mäkelä. Davidovits on teoretisoinut, että Bolivian Tiwanakussa sijaitsevat 1 400 vuotta vanhoissa, vulkaanisesta tuhkasta eli tuffista tehdyissä megaliiteissa hyödynnettiin geopolymeerejä. Toiset taas ovat nostaneet esiin muinaisen roomalaisen betonin, joka koostuu vulkaanisesta tuhkasta ja kalkista.
”Työmme on todella paluuta vanhoille juurille”, Mäkelä sanoo.
Tulevaisuudessa piilevän muutosvoiman ohella juuri tämä tekee geopolymeereistä hänen silmissään niin kiehtovia.
"Pidän itseäni käsityöläisenä ja näen, että nykyisessä maailmantilanteessa meidän tulisi kääntää katseemme taaksepäin ja tutustua menneiden aikojen menetelmiin ja materiaaleihin. Ne ovat paljon kestävämpiä."
Haastatteluhetkellä Mäkelä valmistautuu sapattivuoteen. Hän aikoo asettua asumaan Nuorgamin lähistölle, Tenojoen varrelle, missä noin puolet väestöstä on saamelaisia. Tutustuessaan alueen käsityöperinteisiin Mäkelä löysi merkkejä paikallisen saven käytöstä. Hänen uusi kotinsa on lähellä paikkaa, josta asukkaat ovat todennäköisesti kaivaneet savea ja valmistaneet siitä tiiliä.
"Saamelaisia pidetään innovatiivisina ihmisinä, koska menneinä aikoina heidän on ollut vaikea saada käsiinsä materiaaleja matkojen takaa. Siksi he ovat käyttäneet paikallisia materiaaleja luovasti”, hän kertoo.
Maailmanlaajuisesti, teollisessa mittakaavassa, paikallisten materiaalien käyttö tällä tavalla on harvinaisempaa – geopolyymeereistä nyt puhumattakaan.
"Ei ole mikään salaisuus, että rakennusteollisuus on hyvin konservatiivinen ala ja yrityksillä on vaihtelevasti halua käyttää uusia materiaaleja”, sanoo Repo.
Tähän mennessä suurin geopolymeeribetonia hyödyntänyt rakennushanke sijaitsee Australiassa. Vuonna 2014 valmistuneen Toowoomba Wellcampin (aiemmin Brisbane West Wellcampin) lentokentän alueella käytettiin noin 40 000 kuutiometriä geopolymeeribetonia.
Tästä huolimatta Repo on toiveikas.
"Olen huomannut muutoksen sementin- ja betonintuottajien asenteissa. He tiedostavat, että ala tuottaa valtavasti hiilidioksidipäästöjä. Halu vähentää päästöjä on suuri", Repo sanoo.
Maailmalla geopolymeerejä valmistaa jo muutama yritys. Suomessa materiaaliteknologiaan erikoistunut Betolar tuottaa sementitöntä betonia, joka yrityksen mukaan vähentää hiilidioksidipäästöjä jopa 80 prosenttia.
Repo puolestaan jatkaa laboratoriossaan uusien savinäytteiden testaamista. Osan niistä hän saa muiden Radical Ceramics -ryhmän tutkijoiden kautta. Vielä hän ei ole löytänyt kaoliinia korvaavaa ihmelääkettä, mutta optimismia riittää.
"Suomalaisessa savessa on kiillemineraaleja, pehmeitä ja rakenteeltaan liuskaisia silikaattimineraaleja. Osalla niistä kerrosrakenteessa ja kemiallisessa koostumuksessa on vastaavuuksia kaoliniitin kanssa ja myös niiden rapautumistuotteilla on joitain samankaltaisuuksia", hän sanoo.
Tutkimus on Revon mukaan silti vielä kokeiluasteella, ja voi olla, että siihen se jääkin. "Epäonnistumisen riski on suuri. Mutta jos hyvin käy, työmme voi muuttaa ajattelua merkittävästi."
Eikä vain Suomessa – vaan maailmanlaajuisesti.
Haluatko tutustua lähemmin Radical Ceramics -ryhmän kiehtovaan työhön? Tervetuloa Designs for a Cooler Planet -festivaaleille!
Tämän vuoden festivaalin teema on Näkymätön. Mukana on lähes kolmekymmentä tapahtumaa kiinnostavista puheenvuoroista luentoihin, webinaareihin ja opastettuihin näyttelykierroksiin.
Festivaalin tapahtumat ovat ilmaisia ja kaikille avoimia! Osa kierroksista vaatii ennakkoilmoittautumisen.
Designs for a Cooler Planet 2023 – Tapahtumakalenteri
Tervetuloa tutustumaan Näkymättömään Designs for a Cooler Planet -festivaalin laajan tapahtumakirjon kautta. Tapahtumat ovat avoimia kaikille ja osa Helsinki Design Weekin virallista ohjelmaa.
Ratkaisuja maailman visaisimpiin ongelmiin
Lue, miten radikaalin luovuuden ja perustutkimuksen liitosta syntyy kestävän maailman ratkaisuja.
Uuden sukupolven magneettistimulaatio voi mullistaa aivosairauksien hoidon
Kun algoritmi ottaa ohjat, aivojen magneettistimulaatiosta tulee nopeampaa ja tehokkaampaa. Menetelmä tuo uusia mahdollisuuksia muun muassa vakavan masennuksen ja kivun hoitoon.
Uusi ase antibioottiresistenssiä vastaan – tutkijat keksivät sotkea bakteerien viestinnän
Yli miljoona ihmistä kuolee joka vuosi, koska antibiootit eivät enää tehoa. Tutkijat etsivät nyt kuumeisesti uusia tapoja kukistaa bakteerit, ja vastaus saattaa löytyä niiden omista aseista.
Pikavoitoilla on kestämätön hinta – ja siksi talousjärjestelmä tarvitsee kiireesti täyskäännöksen, sanoo tutkija
Ympäristötuhot, sosiaalinen eriarvoisuus ja monet muut ongelmat ovat seurausta talousjärjestelmän nopeiden voittojen maksimoinnista. Ongelmien ratkominen vaatii, että alamme sen sijaan tavoitella pitkän aikavälin resilienssiä.