Tutkijat kehittivät vaatteisiin näkymätöntä aurinkokennoteknologiaa, joka kestää konepesua

Aurinkokennoja on aiemmissa tutkimuksissa kiinnitetty tekstiilien pinnalle, valmistettu kerroksena kankaan pintaan tai punottu lankamaisina kennoina osaksi tekstiilejä. 

Aalto-yliopiston muotoilun ja teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat kehittivät kolmivuotisessa Sun-powered Textiles -hankkeessa tavan liittää tekstiileihin aurinkokennoja niin että ne kestävät konepesua ja samalla piiloutuvat kankaaseen huomaamattomasti. Tutkijat ottivat suunnittelussa huomioon myös käytön jälkeisen kierrätyksen. 

Kaupallisesti saatavien aurinkokennojen konepesun kestävyyttä ei ole aiemmin juuri tutkittu.

”Oletimme, että aurinkokennorakenne voisi hajota pesussa, aurinkokennoja kun ei ole tehty konepestäviksi. Pesu on raskas prosessi, jossa tekstiiliin ja aurinkokennoihin kohdistuu painetta ja iskuja erityisesti linkousvaiheessa”, sanoo Aalto-yliopiston muotoilun laitoksen projektiasiantuntija ja Barcelonan teknillisen yliopiston professori Elina Ilén.

Tutkijat laminoivat aurinkokennokomponentin kankaiden väliin vesitiiviillä polyuretaanikalvolla saadakseen sen pesunkestäväksi.  Aurinkokennoja sisältäviä tekstiilejä pestiin kymmeniä kertoja 40 asteen lämpötilassa, ja fysiikan tutkija Farid Elsehrawy mittasi aurinkokennojen toiminnan aina kymmenen pesun välein.

Viisi kahdeksasta aurinkokennonäytteestä säilytti tehokkuutensa, ja kolme menetti noin viidesosan tehostaan. Pesut eivät rikkoneet kennoja eivätkä vahingoittaneet kangasta. 

”Nyt kun kankaiden väliin laminoitu aurinkokenno on todettu pesunkestäväksi, kaikki muutkin komponentit pitää vielä onnistua suojaamaan. Ajatuksemme on, että kaikki älytekstiilin sähköiset osat voisivat olla samassa paketissa aurinkokennon kanssa. Silloin meillä olisi pesunkestävä tekstiilielektroniikkalaite, jonka paristoja ei tarvitse koskaan vaihtaa tai ladata”, sanoo teknillisen fysiikan laitoksen yliopistonlehtori Janne Halme.

Kestoa ja kierrätystä 

Tekstiilin alle laitettavan aurinkokennon täytyy olla pinta-alaltaan moninkertaisesti suurempi kuin pinnalle asetetun kennon, jos sillä halutaan tuottaa sama määrä energiaa. Tavallinen kangas syö noin 70 prosenttia kennon kapasiteetista, harsomainen materiaali vähemmän.  

Tekstiilien valonläpäisykykyyn vaikuttavat kuidun materiaali, läpinäkyvyys ja poikkileikkaus, lankojen rakenne ja kankaan tiheys, ja sidos mahdollisine punontoineen ja reikineen, sekä värit ja viimeistysaineet. Vaaleat värit päästävät tummia paremmin valoa läpi, mutta myös täysin musta, läpinäkymätön kangas voi toimia.

Tutkimuksessa käytetyt kaupalliset aurinkokennot olivat yksikiteisiä piikennoja. Ne pystyvät hyödyntämään myös näkymätöntä valoa, jota on suurin osa auringonvalosta. Näkymätöntä valoa on esimerkiksi infrapunavalo.

Tekstiiliin piilottaminen syö aurinkokennon tehoa mutta parantaa sen kestävyyttä, sillä kenno on paremmin suojassa käytöstä aiheutuvilta rasituksilta kuin pinnalle asetettu kenno.

”Pinnalla oleva kenno myös dominoi vaatteen ulkonäköä tehden siitä robottimaisen haarniskan. Tekstiilin sisään liitetty kenno tekee tuotteesta paljon hyväksyttävämmän ja antaa mahdollisuuden suunnitella tuote ulkonäöllisesti käyttäjän tarpeiden mukaan eri käyttötarkoituksiin”, Ilén sanoo.

Tutkijat käyttivät hankkeessa mahdollisimman tehokkaasti kierrätettäviä, vain yhtä kuitua sisältäviä materiaaleja. Elektroniset komponentit saadaan poistettua kankaasta lämmittämällä ja repäisemällä.

”Aikaisemmin aurinkokennoja on toteutettu tekstiileihin punoslankoina, pieninä aurinkokennon palasina, ja se on todella huono idea kierrätyksen kannalta”, Halme sanoo.

Kosteusantureita ja kääntyviä verhoja 

Saatavan energian määrä riippuu sekä kennojen koosta, määrästä että sijainnista. Energiantarpeen taas määrää sovellus. Merkittävää on se, lähettääkö sovellus dataa koko ajan vai esimerkiksi kerran minuutissa. Eniten energiaa kuluttavat tiedon lähettäminen, laskenta ja näytöt. Siksi tekstiileihin piilotetut kennot eivät riitä kännykän tai älykellon lataamiseen, mutta esimerkiksi lämpötilaa ja kosteutta mittaavien anturien tarpeeseen kyllä.

Tutkijatiimin mielestä työvaatteet ovat tällä hetkellä aurinkokennotekstiilien potentiaalisin sovellusalue. Ne ovat paksumpia kuin muut vaatteet, joten kankaaseen liitetyt kennot eivät muuta takin olemusta niin paljon.

”Myös verhot voisivat olla herkullinen paikka kerätä aurinkoenergiaa. Ne voisivat havaita valon määrää ja kääntyä sen mukaan”, Ilén sanoo.

Tutkimushankkeessa tavoitteena oli kehittää tekninen ratkaisu, jota voisi käyttää monissa eri sovelluksissa. Sovellusten kehittäjille Halme antaa neuvoksi pohtia ratkaisun tuomaa lisäarvoa:

“Tekstiilin alle piilotettuja aurinkokennoja kannattaa harkita energialähteeksi sellaiselle sähkölaitteelle, jonka syystä tai toisesta täytyy olla kiinnitetty tekstiiliin, näyttää ja tuntua tekstiililtä, kestää konepesua, ja joka kuluttaa vain vähän virtaa, mutta sen pariston vaihtaminen tai lataaminen olisi kallista tai hankalaa”.

Tutkimuksessa oli mukana myös Elina Palovuori muotoilun laitokselta.

Tutkimus oli osa Business Finlandin rahoittamaa Co-Innovation-hanketta, johon osallistuivat yrityskumppaneina Lindström, Foxa ja Haltian.

Lisätietoa:

Artikkeli: https://www.emerald.com/insight/content/doi/10.1108/RJTA-01-2022-0004/full/html