VTT Impulssi 2/2014

2/2014

MCI

VTT

NÄKEE

SYVYYSKAMERA

LIIKEHDINNÄN TAAKSE

TIEDE Robotiikka – mahdollisuuksien tekniikka

teknologia Tulevaisuuden sensori

liiketoiminta Laitteet kämmenen kokoisiksi

VTT

2/2014

Automaatioratkaisut lyövät läpi myös logistiikassa.

Kuva: Vesa Tyni

12 ”Metsäteollisuus on hieno esimerkki uudistumisesta.” jyri häkämies

58

72 Väite, jonka mukaan ligniinistä voi tehdä kaikkea muuta paitsi rahaa, ei pidä paikkaansa.

KRISTIINA KRUUS

76

Syvyyskamera seuraa kauppakeskuskävijöitä.

Pääkirjoitus

”Olemme ennenkin pärjänneet panostamalla tutkimukseen, koulutukseen ja tuotekehitykseen.”

Jan Vapaavuori elinkeinoministeri

Tutkimus- ja kehitystyö maksaa itsensä takaisin

S

uomen talouden tilaa on turha kaunistella. Muutama viikko sitten­Standard & Poor’s -luottoluokitus­yhtiö kertoi koko maailmalle sen, minkä monet ovat tienneet jo kauan. Suomen­taloudessa­ei enää pitkään aikaan ole kaikki ollut niin kuin pitää. Suomi ei ole vieläkään toipunut finanssikriisiä edeltäneelle talouskasvun tasolle, vaan päinvastoin tuotantomme on supistunut uudelleen laskuun.

Talou­teemme tuplahaasteen tuo matala­suhdanteen ohella voimakas sisäinen ­rakennemuutos.

Vaikka yksi A katosi horisonttiin, eivätkä merkit­ talouden rintamalla muutoinkaan ole p ­ arhaat mahdolliset, ei ole syytä vaipua epätoivoon.­Päin­vastoin, on pyrittävä uudistumaan entistä v­ oimakkaammin ja nokkelammin.

Olemme ennenkin pärjänneet panostamalla tutkimukseen, koulutukseen ja tuotekehitykseen.­­Näiden valttikorttien varaan on jatkossakin r­ akennettava.

Itse asiassa nämä valtit korostuvat, mitä syvem­ mäksi­rakennemuutos ja rajummiksi kansain­ välistyvän talouden haasteet käyvät. Mitä enemmän yrityksissämme on osaavaa henkilöstöä, tutkimusta ja tuotekehitystä, sitä ketterämpiä yrityksemme ovat uudistumaan ja muovaamaan tarjontaansa vastaa-

maan tulevaisuuden kysyntää. Uudistumiskyky on uuden talouskasvun tärkein edellytys.

Uudistumiskyvyn ja uusien innovaatioiden­ ­korostuessa VTT:n tyyppisillä, monialaisilla, ­soveltavaa tutkimusta ja innovaatioita tuottavilla ­toimijoilla on avaimet kädessään toimia uuden talouden­vetureina. VTT oli viime vuonna Suomen kolmanneksi aktiivisin patentoija. Kaikista suomalais­ innovaatioista 36 prosenttia ja haastavimmista innovaatioista jopa 50 prosenttia sisältävät VTT:n osaamista.

Jo näiden lukujen valossa voi väittää, että VTT:hen sijoitettu pääoma on tuottanut itsensä monin­ kertaisesti takaisin vientituloina ja työpaikkoina.

Jotta tutkimustoimintaa voitaisiin edelleen kehittää, on myös t&k-kentän rakenteita uudistettava. VTT:n pitkä ja ansiokas historia saa uuden luvun, kun virasto muuttuu vuoden vaihteessa osakeyhtiöksi.

Uskon ja odotan, että uusi VTT tuottaa S­ uomelle jatkossakin sellaisia kilpailutekijöitä, joilla Suomi uudistuu ja taistelee itsensä takaisin parhaaseen A-sarjaan. Toivotan uudistuneelle VTT:lle onnea ja menestystä tässä isänmaan kannalta erityisen ­tärkeässä tehtävässä. n

VTT Impulssi 3

Sisältö 2/2014 alkupalat Katse tulevaisuuteen................................. 6 Polttopiste................................................. 8 Exote Oy Automaatio antaa paketille siivet............ 12

Kuva: Vesa Tyni

Kolumni.................................................... 19 Olli Ernvall

48

Kohtaamisia henkilö

8 TIEDE Tiedeuutisia.............................................................20 Chemsheet-innovaatioilla tietä uusille materiaaleille........................................22 Tutkijat Pertti Koukkari, Risto Pajarre, Petteri Kangas, VTT Metallien monitavoitetalteenotto............................32 Tutkimusprofessori Olli Salmi, VTT Robotiikka – monien mahdollisuuksien tekniikkaa...................................40 Tutkijat Timo Salmi, Marketta Niemelä, Tapio Heikkilä, VTT 4 VTT Impulssi

”Tuote on niin hyvä, että puskaradio toimii.”

OSMO mÄENPÄÄ

52

Kuva: Antonin Halas

Puubiomassa taipuu tutkijoiden käsissä moneen.

62 TEKNOLOGIA

Teknologiauutisia..............................................................46 Kyberturvallisuuden puolesta monella rintamalla...........48 KYBER TEO -hanke palvelee teollisuudenkin tarpeita.

Tulevaisuuden sensori......................................................52 Painettuun älyyn kätkeytyy valtavia sovellusmahdollisuuksia.

68

Mitä kuuluu Australiaan?..................................................56 Australian suurlähettiläs Gerald Thomson vierailulla VTT:llä.

Suomi on pidettävä houkuttelevana................................58 Jyri Häkämies varoittaa kasvun haasteista ja valottaa suomalaisyritysten mahdollisuuksia.

Puun voimalla biotalouteen.............................................62 Puu muuntuu yhä useammaksi materiaaliksi.

liiketoiminta Liiketoimintauutisia.........................................................66

80

Spectral Engines tähtää kymmenien miljoonien liikevaihtoon.

Suomi on hyvä investointi...............................................68 Suomi sijoittuu kärkipaikoille monissa vertailuissa.

Joustavan energian kärkimaaksi....................................72 Neo-Carbon Energy -hanke selvittää uuden energiajärjestelmän mahdollisuuksia.

Ihmisten jäljillä.................................................................76 Syvyyskameratekniikan pilotti osoittaa tekniikan hyödyt.

Laitteet kämmenen kokoisiksi........................................80 Spectral Enginesin matka alkoi avaruusteknologiasta.

VTT Impulssi 5

katse tulevaisuuteen

Suomi matkalla kohti vähähiilistä vuotta 2050 Millaiset mahdollisuudet Suomella on siirtyä vähähiiliseen yhteiskuntaan? Mitkä ovat vaihtoehdot ja millaisia riskejä niihiin liittyy?

Teksti Marko Jääskeläinen

V

uonna 2012 käynnistyneessä Low Carbon Finland 2050 Platform (LCFinPlat) -hankkeessa tarkasteltiin Suomen mahdollisuuksia ja haasteita siirtyä vähähiiliseen yhteiskuntaan vuoteen 2050 mennessä.

Vaihtoehtoisia vähähiilipolkuja muodostettiin yhteistyössä laajan asiantuntijaryhmän kanssa, ja vähähiilipolkuja analysoitiin laskennallisesti skenaariotarkasteluin tavoitteena muodostaa Suomen vähähiilitiekartta.

Hankkeen koordinaatio oli VTT:n vastuulla ja koordinaattorina toimi tiimipäällikkö Tiina Koljonen.

Hankeraportissa on esitetty vaihtoehtoisia keinoja Suomelle saavuttaa EU:n esittämät kasvihuonekaasujen päästötavoitteet vuoteen 2050 mennessä, mikä tarkoittaa vähintään 80 prosenttia kasvihuonekaasupäästöjen vähennystä vuoden 1990 päästötasosta.

Työ on yksi esimerkki VTT:n ennakointi- ja skenaariotyöstä, joka auttaa alan toimijoita varautumaan tuleviin haasteisiin.

Hankkeeseen osallistuivat VTT, Valtion taloudellinen tutkimuskeskus VATT, Metla, Geologian tutkimuskeskus GTK ja Tekes. Tuloksia hyödynsi parlamentaarinen energia- ja ilmastokomitea.

Skenaariotarkastelun lähtökohdat LCFinPlat-hankkeessa tehty työ keskittyy arvioimaan Suomen kustannustehokkaita ja ympäristön kannalta kestäviä keinoja saavuttaa vähähiilitavoite sekä päästötavoitteen vaikutuksia Suomen kansan­ talouteen, luonnonvarojen kestävään käyttöön ja Suomen energiajärjestelmään. Vähähiiliyhteiskunnan toteuttamiseksi voidaan osoittaa eri polkuja, ja 6 VTT Impulssi

skenaarioiden laadinnan peruslähtökohtana oli, että niiden tulee olla riittävän erilaiset, jotta tulevaisuutta voitaisiin arvioida mahdollisimman laajalti eri näkökulmista.

Nykytiedon valossa ei pystytä arvioimaan, mikä poluista olisi Suomelle paras vaihtoehto. Tämän vuoksi on tärkeää tunnistaa kaikille poluille yhteisiä tekijöitä sekä riskejä, joita mahdollisesti tehdyt valinnat voivat tulevina vuosikymmeninä aiheuttaa. Selvää kuitenkin on, että 80 prosentin päästövähennys edellyttää merkittäviä toimia ja investointeja kaikilla yhteiskunnan sektoreilla ja siten radikaalia systeemi­ tason muutosta, jonka toteuttamiseksi tarvitaan yhteistä tahtotilaa ja suuntaa.

Globaalisti sitova ilmastosopimus Low Carbon Finland 2050 Platform sisältää kaksi merkittävää lähtöoletusta: globaalisti on saatu sovittua sitova, kahden asteen hillintätavoitteeseen perustuva ilmastosopimus, ja uudet vähäpäästöiset teknologiat kehittyvät riittävän nopeasti ja ne saadaan markkinaehtoisesti käyttöön. Nykytilanteen näkökulmasta vähähiiliyhteiskuntaan siirtymiseen sisältyy siten suuria poliittisia haasteita. Lisäksi edellytetään merkittäviä panostuksia uuden vähäpäästöisen teknologian kehitykseen ja markkinoille saattamiseen.

Lisähaasteen tilanteeseen tuo nykyinen infrastruktuuri, eli teolliset laitokset sekä rakennus- ja autokanta, jotka uusiutuvat hitaasti. Näin jo nykyisillä päätöksillä ja investoinneilla on vaikutuksia vuoteen 2050 asti. Suomen näkökulmasta erityisen kriittistä on CCS:n eli hiilidioksidin erotuksen ja varastoinnin kaupallistuminen riittävän ajoissa.

– Tämä on yksi niistä avainteknologioista, joita tarvitaan, jotta pystytään pitämään yllä nykyinen teollinen järjestelmä Suomessa myös vähähiilisessä yhteiskunnassa, Koljonen sanoo.

– Energian kulutuksen osalta kaikissa vaihtoehdoissa lähdetään siitä, että se kääntyy laskuun.

Energian käytön vähentäminen on osa päästöjen vähentämistä, Helynen toteaa.

Muutoksia kaikilla sektoreilla Koljosen mukaan nykytilannetta päästövähennysten tarpeen osalta kuvaa hyvin se, että tahtoa löytyy mutta konkretia puuttuu.

– Aikataulun, keinojen ja tarvittavan panostuksen määrän suhteen on tällä hetkellä hyvin erilaisia näkemyksiä, hän sanoo.

Koljonen ja hankkeen ohjausryhmässä mukana ollut, VTT:n Älykäs teollisuus ja energiajärjestelmät -liiketoiminta-alueen operatiivinen johtaja Satu Helynen ovat yhtä mieltä siitä, että tavoite on niin kova, ettei siihen pääsemiseksi ole olemassa vain yhtä ratkaisukeinoa. Kyse on kokonaisuudesta.

– Siinä mennään rakentamisen, asumisen, liikenteen, teollisuuden ja energiatuotannon sektoreille ja näissä kaikissa tarvitaan muutoksia, täsmentää Helynen.

Kustannustehokkuutta tarkasteltaessa päästöjen vähentäminen on Koljosen mukaan tehokkainta teollisuudessa ja liikenteessä. Asumisen ja jätteenkäsittelyn päästöt vähenevät pitkälti jo nykyisin voimassa olevan politiikan vaikutuksesta, mutta lisätoimia tarvitaan erityisesti vuoden 2030 jälkeen. Maatalouden ja maankäytön päästöjen vähentämiseen keinovalikoima on suppeampi, erityisesti jos halutaan turvata kotimainen ruokahuolto.

Yksi hypettää, toinen säästää Koljosen mukaan neljästä skenaariosta pisimmälle menee Muutos-hypeskenaario, jossa oletetaan tapahtuvan radikaaleja, hyppäyksellisiä muutoksia teknologioissa, joista osa on vielä tällä hetkellä meille tuntemattomia. Lisäksi ihmisten arvojen, valintojen ja esimerkiksi työn tekemisen määritelmän oletetaan muuttuneen merkittävästi. Nämä tekijät yhdessä mahdollistavat nykyistä jopa hieman hajautuneemman yhdyskuntarakenteen.

Muutos-skenaariossa lähtökohtaisesti oletettiin myös teollisen rakenteen radikaali muutos, jossa vientiteollisuus tuottaa korkean jalostusasteen tuotteita ja palveluja kansain­välisille markkinoille.

Konservatiivinen asenne suhteessa teknologiaan puolestaan otetaan Säästö-skenaariossa.

– Siinä lähtökohtana on, että EU lähtee etunojassa päästövähennystavoitteeseen siten, että meillä ei ole vielä kaikkia uusia teknologioita markkinaehtoisesti käytössä, vaan panostetaan energian säästöön, resurssitehokkuuteen ja energian käytön tehostamiseen, Koljonen sanoo.

Säästö-skenaariossa cleantech-viennin oletetaan lähtökohtaisesti kasvavan, mutta vientituotteet perustuisivat lähinnä energiatehokkuuteen ja siihen liittyvään palveluliiketoimintaan. Skenaarion vahvuus on korkea energiaomavaraisuus, mutta heikkous on vastaavasti muita vähähiiliskenaarioita korkeammat päästöjen vähentämisen kustannukset aikajaksolla 2030–2040.

Neljä eri skenaariota Hankkeessa muodostettiin neljä erilaista vähähiiliskenaariota: Jatkuva kasvu, Pysähdys, Säästö ja Muutos. Eri skenaarioissa korostuvat erilaiset teknologiset valinnat sekä oletukset muun muassa yhteiskunnan rakenteesta (elinkeinorakenne, teollinen rakenne, yhdyskuntarakenne) sekä uuden teknologian kehityksestä ja käyttöönotosta.

Uusiutuvan energian käyttö kasvaa kaikissa skenaarioissa, ja biopolttonesteiden tuotantoa liikenteeseen tulisi kasvattaa Suomessa merkittävästi siirryttäessä asteittain vähähiiliseen yhteis­kuntaan.

Tuulienergia nousee kaikissa skenaarioissa vesija bioenergian rinnalle kolmanneksi keskeiseksi uusiutuvan sähkön energialähteeksi. Myös aurinkoenergian tuotanto kasvaa kaikissa skenaarioissa, mutta erityisesti Jatkuva kasvu- ja Muutos -skenaa­rioissa, joissa älykkäät energiajärjestelmät ja uudet energian varastointiteknologiat mahdollistavat hajautetun energiantuotannon merkittävän kasvun.

Tietoa ja edullisia ratkaisuja Osana hanketta toteutettiin kuluttajakysely, jossa haluttiin selvittää kuluttajien asenteita, valmiuksia, pelkoja ja toiveita siirryttäessä vähähiiliseen tulevaisuuteen. Tavoitetta kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisestä pidettiin tärkeänä: vastaajista näin ajatteli neljä viidestä (79 prosenttia). Naiset pitivät tavoitetta tärkeämpänä kuin miehet. Vastaajista 59 prosenttia ilmoitti vähentäneensä määrätietoisesti kasvihuonekaasupäästökuormitustaan. Tärkeimpiä perusteluita olla tekemättä niin olivat tavanomaista ratkaisua korkeampi hinta, käyttöönoton vaikeus sekä tiedon puute.

Juuri tiedon tarjoamista kansalaisille sekä Koljonen että Helynen pitävät tärkeänä.

– Pitää pystyä osoittamaan, että uusi teknologia toimii ja on kustannustehokasta. Koulutusta tarvitaan huomattavasti enemmän, Koljonen sanoo. n

VTT Impulssi 7

Kovaakin

kovempi

vientituote Uusi, suomalainen kovametalli kiinnostaa maailmalla. Pitkään kehitetty tuote haluaa kasvavan siivun puolustussektorin suojamateriaalimarkkinoista – etenkin ajoneuvosuojauksesta.

Teollisen puolen sovelluksiakin kehitetään parhaillaan.

Teksti Sari Alhava Kuva Vesa Tyni

E

rilaiset ajoneuvot henkilöautoista panssarivaunuihin ovat suuria liikkuvia maali­tauluja sotaa käyvillä alueilla. Niiden suojaukseen luodeilta panostetaan voimakkaasti. Suojamateriaalimarkkinoita ovat hallinneet alumiinioksidi, piikarbidi ja boorikarbidi. Näiden rinnalle on kipuamassa suomalainen, VTT:n ja Exoten kehittämä kovametalli.

– Olemme kehittäneet uutta kovametallia ja sen valmistusmenetelmää VTT:llä 1990-luvun puolivälistä lähtien. Vuonna 2003 perustettiin tämän metallikeraamikomposiitin valmistamista ja myyntiä varten Exote Oy, jolle myytiin patentin 8 VTT Impulssi

→

Osmo Mäenpää kertoo, että teräkseen verrattuna exote-materiaalin etu on keveys-tehokkuussuhde.

VTT Impulssi 9

Kuva: Patria

”nyt tutkitaan sovelluksia, joissa perinteinen kovametalli voitaisiin korvata exotella.” oikeudet, VTT:n tiimipäällikkö Tomi Lindroos valottaa projektin alkuvaiheita.

Uutta kovametallia on tuosta lähtien kutsuttu samalla nimellä kuin yritystäkin eli exoteksi.

– Ihan aluksi tavoitteena oli luoda uusi kovametalli teollisuuden käyttöön. Idean isä, VTT:n silloinen erikoistutkija Pekka Lintula harrastaa ammuntaa ja hän sai idean kokeilla, läpäiseekö luoti exoten. Kun hän huomasi sen pysäyttävän luodit, hän toi esiin käyttökohteiden laajennusmahdollisuudet, kertoo Osmo Mäenpää Exote Oy:stä.

Tällä hetkellä exoten pääasiallinen kehityskohde onkin ballistinen suojaus eli luotisuojaus.

Ainutlaatuinen sovellus Vuonna 2003 perustettu Exote Oy on täysin yksityisomistuksessa oleva osakeyhtiö. Sen noin kahdestakymmenestä omistajasta lähes kaikki ovat suomalaisia. Yrityksellä on Raaseporissa 600 neliömetrin kokoiset tuotanto- ja toimistotilat sekä puolustusvoimien standardin mukaan tehty testiampumarata.

Exoten materiaaliominaisuudet perustuvat ainutlaatuiseen tuotantoprosessiin, jonka VTT ja Exote Oy ovat yhdessä kehittäneet.

– Se, miten sitä hallitaan ja sovelletaan, on vain Exote Oy:n tiedossa, Mäenpää toteaa.

10 VTT Impulssi

Kuten teollisuusinnovaatioissa aina, ovat eri tahot yrittäneet saada selville uuden tuotteen koostumuksen. Mäenpään mukaan sen pystyy selvittämään niin sanotusti atomitasolla, mutta menetelmää tuntematta sitä ei silti pysty kopioimaan.

Lähes yksinomaan vientituote Kun tuntematon yritys lähtee uuden tuotteen kanssa ulkomaan markkinoille, kehitysvaiheen yhteistyökumppanit lisäävät uskottavuutta.

– VTT on arvostettu laitos myös ulkomailla.

Yhdysvalloissakin käytetään paikallisia yliopistoja kehitystyössä, joten yliopisto­yhteistyömme Tampereen teknillisen yliopistonkin kanssa on plussaa, Mäenpää mainitsee.

Erityisen paljon luotettavuutta militaaripuolen tuotemyyntiin toi Exote Oy:n pääsy puolustusvoimien teknologiaohjelma 2010:een. Siinä puolustusvoimat satsasi merkittävästi exoten jatkokehittämiseen rahoittajan ominaisuudessa.

– Puolustusvoimat haluaa auttaa pk-sektoria kehittämään tuotteita, joilla on mahdollisuudet vientiin. Heille on hyödyllistä, että Suomessa on alan kehitystyötä ja tuotantoa. Koska Suomen markkinat eivät yksistään riitä kannattavaan liiketoimintaan tällä alalla, tarvitaan riittävästi vientiä, Mäenpää taustoittaa projekti­yhteistyötä.

Ballistisen suojauksen puolella käsissä on jo täysin kaupallinen tuote, jota on muutaman vuoden myytykin. Exoten markkinat ovat lähes kokonaan ulkomailla. Tärkein markkina on USA, jossa on peräti puolet maailman sotilas­ tarvikemarkkinoista. Exotea on myyty myös muun muassa Australiaan, Etelä-Afrikkaan ja moniin Euroopan maihin.

Luotisuojaukseen liittyvä tuotemyynti on vientiluvan alaista kauppaa.

– Luvan tähän myöntää puolustusvoimat, minkä lisäksi vaaditaan puoltava lausunto ulkoministeriöltä. Lupaa ei myönnetä sotaa käyviin maihin, Mäenpää sanoo.

Tuttu maailmalla Exoten ei tarvitse enää lisätä tunnettuuttaan ajoneuvosuojauspuolella.

– Alan ihmiset ympäri maailmaa tietävät tuotteemme. Tuote on niin hyvä, että puska­ radio toimii, vaikka kyse on pienestä suomalais­yrityksestä, Mäenpää toteaa.

Vaikka markkinat ovat isot ja tuote hyvä ellei jopa paras, ei tulokkaan ole helppo tunkeutua markkinoille ja napata itselleen siivua.

– Kolmea vanhempaa tuotetta on totuttu käyttämään, ja yrityksillä on valmiit henkilökontaktit. Vaaditaan pitkäjänteistä ja suunnitelmallista työtä saada osuus markkinoista.

Exoten myyntihinta on Mäenpään mukaan kilpailukykyinen: se on samassa hintaluokassa piikarbidin kanssa.

Mahdollisuus hypätä portaan yli Ballististen markkinoiden myyntiprosessi on neliportainen. Suojamateriaalien valmistajat, joihin Exotekin kuuluu, myyvät tuotteitaan seuraavalle portaalle eli suojaratkaisujen valmistajille. Nämä tekevät materiaalilevyistä suojapaneeleita ja myyvät ne ajoneuvovalmistajille.

Kunkin maan puolustusvoimat ostaa valmiin, luotisuojatun ajoneuvon ajoneuvovalmistajalta.

Suojaratkaisujen valmistajat pyrkivät usein ostamaan suojamateriaalien valmistajia. Exotella on kuitenkin käsissään valtti, jonka avulla se menestyy omana yrityksenään.

– Exote-levyjä voidaan liimata suoraan ajoneuvoon, toisin kuin keraameista tehtyjä levyjä.

Siksi pystymme myymään niitä myös suoraan ajoneuvovalmistajille. Se on selvä kilpailuetu, sillä ilman erillistä suojapaneelia ajoneuvo painaa vähemmän.

Teräkseen verrattuna exoten hyöty on keveys-tehokkuussuhde: sen ominaispaino on vähemmän kuin teräksellä, mutta siitä huolimatta se on terästä lujempaa, kovempaa ja tehokkaampaa.

– Karkeasti ottaen voisi sanoa, että seitsemän millimetrin paksuinen exote-levy vastaa noin 20-millistä panssarilevyterästä.

Hyvät tulevaisuuden näkymät Seuraavaksi Exote pyrkii pääsemään luoti­ suojausten toimittajaksi isoihin ajoneuvo­ projekteihin.

– Sellaiset siviilipuolen kohteetkin kiinnostavat, joissa tuotteestamme olisi hyötyä.

Mahdollinen kehittämiskohde on myös luotiliivilevy. Kevyt mutta tehokkaasti läpäisyluodin pysäyttävä panssarin exote-levy sopisi hyvin myös henkilösuojaukseen.

Teollisuuden puolella tutkimukset jatkuvat.

– Nyt tutkitaan sovelluksia, joissa perinteinen kovametalli voitaisiin korvata exotella, Lindroos kertoo.

Yksi syy nykyisin yleisimmin käytetyn kovametallin korvaamisen tarpeeseen on sen sisältämän wolframin saatavuuden heikkeneminen.

– Wolframia saadaan pääosin Kiinasta. Sen kysyntä ylittää tarjonnan, ja siksi se on listattu EU:ssa saatavuudeltaan kriittisten aineiden joukkoon. Saatavuuden on ennustettu huononevan edelleen, mikä luo meille mahdollisuuksia, Mäenpää perustelee.

Tällä hetkellä VTT:llä ja Tampereen teknillisellä yliopistolla jatketaan materiaalin kovuuden,

sitkeyden ja kulutuskestävyyden testaamista.

Tältä pohjalta pystytään miettimään, millaisia sovelluskohteita materiaali tarjoaa. Samalla selvitetään, mitä ominaisuuksia teollisuuspuolella halutaan. Exotea on kaavailtu käytettäväksi esimerkiksi murskainten teriin ja leikkuuteriin, kulutuskestävyyttä vaativiin osiin sekä vaativien tuotteiden työkalujen valmistukseen.

– Teollisella puolella voi mennä vuosia, ennen kuin kaupallinen tuote on valmis. Tämä on VTT:n, yliopiston, teollisuusyritysten ja meidän pitkäjänteinen prosessimme, jonka valmistumisaikatauluja on mahdoton ennakoida, Mäenpää muistuttaa. n

selkeä roolijako kehitystyössä vtt on vahvasti mukana exoten kehittämisessä.

– Työnjako on selkeä. VTT hallitsee materiaaliteknologian ja tieteellisen puolen erinomaisesti ja keskittyy siihen. Meidän kontollamme on valmistusmenetelmän ja prosessin kehitys eli johdamme valmistusta ja myyntiä, Osmo Mäenpää rajaa ja kiittää yhteistyötä tiiviiksi ja hedelmälliseksi.

Tomi Lindroos kertoo VTT:n osallistuneen ja osallistuvan yhä erityisesti materiaaliominaisuuksien kehittämiseen.

– Tutkimme siis erilaisia seosominaisuuksia. Lisäksi olemme kehittäneet viime vuosina materiaalitekniikan konsultaatiota. Arvioimme systemaattisen analysoinnin pohjalta, millaisia koostumuksia kannattaa lähteä kokeilemaan.

Exoten kehittäminen on kestänyt pitkään. Valmistusprosessia on viilattu vuosikymmeniä ja materiaalia hienosäädetään yhä eri tarkoituksiin.

– Asioiden eteenpäin vieminen voi viedä joskus pitkään, pidempään kuin alussa otaksuttiin. Kaikki osapuolet ovat kokeneet, että tämän tuotteen ja valmistusmenetelmän kehittäminen on sen arvoista.

Haluamme olla mukana edesauttamassa tuotteen pääsyä isommille markkinoille, Lindroos toteaa.

VTT:n uuttera kehitystyö on tuonut merkittäviä, mitattaviakin tuloksia. Materiaaliominaisuudet ovat parantuneet huomattavasti: muun muassa lujuutta on saatu lisätty 60 prosenttia. Exotesta on useita materiaaliversioita, joita on testattu kattavasti Suomen lisäksi monissa Euroopan maissa sekä Yhdysvalloissa. Markkinoinnin pääpaino on vahvasti puolustussektorilla ja tarkemmin ajoneuvo­ suojauksessa, jossa Exotella on useita projekteja työn alla. Mäenpää kertoo Exoten ydinaluetta olevan Nato-standardi STANAG 4569:n tasot kolmosesta ylöspäin.

VTT Impulssi 11

o i t a a m o t au

antaa paketille

siivet

Automaatio tuo tehoa ja uusia kasvumahdollisuuksia tuotantologistiikkaan.

Teksti Ari Rytsy Kuvat iStockphoto

12  VTT Impulssi

VTT Impulssi  13

A

utomatisoinnin tuomat kasvumahdollisuudet tuotantologistiikassa ovat kiistattomia, vielä toistaiseksi maltillisesta etenemistahdista huolimatta. Parhaimmillaan muutos voi luoda kokonaan uudenlaista liiketoimintaa, mikä näkyy muun muassa verkkokaupan kasvuna.

Tehokas tiedonkulku ja reaaliaikainen tuotteiden seuranta ovat osaltaan muovanneet vallitsevia kulutustottumuksia. Paketit tulevat ja menevät tehokkaasti varastolta kotiovelle.

Viime vuonna yhdysvaltalainen verkko­ kauppajätti Amazon esitteli Prime Air -nimisen minikopterin, jonka toiminta-ajatuksena on poimia lähetys varastohihnalta, lentää sille syötettyyn osoitteeseen ja jättää paketti asiakkaan kotiportaille.

Amazonin mukaan kaupunki­ympäristöön suunniteltu järjestelmä voidaan saada käyttöön viiden vuoden sisällä. Vaikka ajatus voi tuntua hullulta, eivät asiantuntijat ole yksiselitteisesti torjuneet konseptin toimivuutta.

Puhutaan myös automaattisesti ajavista autoista sekä big datan hyödyntämisestä verkkokaupankäynnissä. Kuluttajan verkkokäyttäytymisen perusteella yritys pystyy ennakoimaan seuraavan oston, joten tuote saattaa olla jo tilaushetkellä matkalla.

– Muista teknologisista läpimurroista esimerkiksi 3D-tulostus ja kevyet nanomateriaalit eivät suoraan kosketa toimintalogistiikkaa, mutta niiden avulla on mahdollista muuttaa toimitusketjuja ja niiden toimivuutta. Nano­ materiaaleista valmistetut tuotteet ovat kevyempiä, minkä vuoksi ne helpottavat jakelua, arvioi VTT:n tutkija Ville Hinkka.

Informaation hallinnalla tehokkuutta Tuotantologistiikassa on kyse muustakin kuin pelkästään materiaalin fyysisestä käsittelystä.

Teknologia ja monimutkaiset hankintaverkos14 VTT Impulssi

Vain

30

elintarvikesektorin toimijaa pystyy tällä hetkellä sähköiseen tiedonsiirtoon.

”edi-standardin hyödyntäminen on taloudellisesti perusteltua.”

tot ovat nostaneet informaation hallinnan tärkeään rooliin. Kokonaisuus vaikuttaa tuotteiden läpimenoaikoihin, toimitustäsmällisyyteen sekä tuotannon ja varastoinnin optimointiin.

Niitä kehittämällä yritykset parantavat omaa tuottavuuttaan, tehokkuuttaan ja kilpailukykyään.

Tuotantoprosessien kohdalla automatisoinnin edistyminen näkyy esimerkiksi konevalmistajien tuotekehityksessä. Valmistustoimintaan verrattuna tuotantologistiikka, joka kattaa pääpiirteittäin toimitukset, käsittelyn ja siirron sekä varastoinnin, on edennyt verkkaisemmin.

Kyse ei ole siitä, etteikö tuotantologistiikkaan soveltuvan teknologian saralla olisi tapahtunut konkreettista kehitystä.

VTT:n asiakaspäällikkö Karri Rantasila korostaa, että tuotantologistiikan automatisointia on tehty pitkään suljetuissa järjestelmissä yritysten sisällä. Laajempana tavoitteena on kuitenkin parantaa automatisoinnin kattavuutta niin, että se ulottuisi yksittäisen yrityksen sijaan koko toimitusketjun läpi.

– Tuotantologistiikan kokonaisvirta koostuu rahasta, raaka-aineista, tavarasta sekä tiedosta.

Raha elää omaa elämäänsä pankkijärjestelmien puitteissa. Tavaran ja tiedon kulkua voidaan parantaa automatisoinnilla. Kehitystä ovat toistaiseksi hidastaneet useat, ei-yhteensopivat standardit ja järjestelmät, sanoo Rantasila.

EDI-liikenne kasvussa Tuotantologistiikan nykyistä kattavamman automatisoinnin perusedellytyksenä on tietovirtojen standardointi. Siitä puhutaan EDI:nä (Electronic Data Interchange), mikä tarkoittaa elektronisessa muodossa olevan tiedon automatisoitua siirtoa organisaatioiden tietojärjestelmien välillä.

EDI-standardin hyödyntäminen on taloudellisesti perusteltua, mikäli välitettävät tietomäärät ovat riittävän suuria tai jos tilaus- ja laskutusliikenne on muuten tarpeeksi vilkasta.

Käyttö tulee ajankohtaiseksi, jos yrityksen liikekumppani käyttää EDI-liikennettä tai edellyttää sitä liikekumppaneiltaan.

VTT Impulssi 15

”muutos voi luoda kokonaan uudenlaista liiketoimintaa.”

EDI:n avulla tiedon prosessointi nopeutuu, tiedonsiirron kustannukset laskevat, virheiden käsittely yksinkertaistuu ja helpottuu ja liiketoimintaprosesseihin kuluva aika vähenee.

EDI-toimintoja käytetään eniten kuljetuksissa, ostoissa ja varastoinnissa, mutta myös esimerkiksi maksuliikenteessä.

– Lähtötilanne EDI:n kehitykselle on hyvä, sillä monissa suomalaisyrityksissä on olemassa omat ERP- eli toiminnanohjausjärjestelmät.

Seuraavassa vaiheessa ne on saatava kommunikoimaan keskenään, pohtii Rantasila.

Yhteisen sävelen löytyminen on hankalaa, sillä jokainen toimitusketjun yritys eroaa muista toimijoista tavalla tai toisella. Monessa pk-yrityksessä automatisointiin suhtaudutaan skeptisesti sen aiheuttaman investointipaineen vuoksi.

Tilanteen helpottamiseksi Yleinen Teollisuusliitto ja GS1 Finland ovat lähteneet edistämään elintarvikekaupan toimitusketjujen digitalisoimishanketta, johon haetaan parhaillaan Tekes-rahoitusta. Projektin tavoitteena on rakentaa elintarvike­alan toimijoiden tarpeisiin soveltuva sähköinen tiedonsiirtojärjestelmä, joka toimii älypuhelimella, tabletilla tai tieto16 VTT Impulssi

koneella käytettävänä pilvipalveluna. Mallia on tarkoitus viedä muillekin toimialoille.

– Elintarvikesektorilla on laskutavasta riippuen noin 1 800–2 700 toimijaa. Niistä vain 30 pystyy tällä hetkellä yritysten väliseen sähköiseen tiedonsiirtoon, perustelee Yleisen Teollisuusliiton johtava logistiikka-asiantuntija Kyösti Orre alan kehitystarvetta.

Tahtotila harmonisoinnille Tiedon saumaton liikkuminen avaa parempia mahdollisuuksia tuotantologistiikan mekaaniselle automatisoinnille. Jo nyt esimerkiksi RFID:tä eli radiotaajuista etätunnistusta käytetään tavaraliikenteen ja varastokierron seuraamiseen sekä automaattiseen tunnistamiseen.

Sen avulla voidaan nopeasti laskea esimerkiksi lavalla saapuvan tavaraerän sisältämien yksittäisen tuotteiden määrä.

Varastonhallintajärjestelmään välitettävä tieto mahdollistaa menekin seuraamisen sekä seuraavan erän automaattisen tilaamisen varastokierron kannalta optimaalisessa vaiheessa.

Mahdollisuuksistaan huolimatta logistiseen käyttöön soveltuvien teknologisten ratkaisujen hyödyntämistä rajoittavat edelleen yritysten erilaiset käytännöt.

– Esimerkiksi kirjakaupassa yksi kauppaketju saattaa käyttää tuotteissaan RFID-tageja mutta muut eivät. Vaikka kyseinen tunniste olisi helppo laittaa kaikkiin kirjoihin kirja­ painovaiheessa, joudutaan se tämän eroavaisuuden takia tekemään käsityönä. Kyse on osaoptimoinnista, joka on suhteessa kalliimpaa kuin RFID:n laajamittainen hyödyntäminen, kertoo VTT:n tutkija Ville Hinkka.

Osaoptimointi on kalleudestaan huolimatta viemässä asioita askel askeleelta parempaan suuntaan. Mitä suurempia tavara- ja materiaalivirtoja saadaan saman järjestelmän piiriin, sitä helpompaa on nostaa alalla vallitsevaa automatisointiastetta.

– Projektimme myötä monet isot elintarvike­ alan toimijat ovat ilmaisseet kiinnostuksensa tiedonsiirron harmonisoimiseen. Niissä on ymmärretty, että tietovirtojen yhdistäminen auttaa myös tavaravirtojen hallitsemisessa.

Automatisointi sekä siihen liittyvät erilaiset koodit ja seurantamenetelmät lisäävät toiminnan virheettömyyttä ja sitä kautta sen tehokkuutta, korostaa Orre.

VTT Impulssi 17

kriisivalmiutta parannettava

Kohti laajempaa käyttöä Teknologia ei ole itseisarvo tuotantologistiikan automatisoinnissa. Esimerkiksi varastoautomaation rakentaminen ei ole järkevää pienessä yrityksessä, josta lähtee maailmalle muutama paketti päivässä. Sen sijaan esimerkiksi WLANja GPS-paikannus sopivat muun muassa isoihin varastoihin sekä satamakonttien seurantaan ja tunnistamiseen, konenäkö puolestaan laadunvarmistukseen ja paluulogistiikkaan.

Kaiken kaikkiaan käytössä oleva teknologinen kirjo tarjoaa mahdollisuuden erilaisiin tarpeisiin soveltuvien automatisointiratkaisujen toteuttamiseen.

– Mielestäni toimintalogistiikka ja sen automaatiomenetelmät eivät ole jäljessä valmistustoiminnasta. Kyse on ennemminkin siitä, milloin kyseisiä ratkaisuja on mahdollista ottaa laajamittaiseen käyttöön. Suomessa esimerkiksi tavarankuljetuksen lähetystiedoista vain 40 prosenttia siirtyy sähköisesti, kun vastaava luku muissa Pohjoismaissa on 90–95 prosenttia. Ensimmäisessä vaiheessa meidän on saatava standardoitua tämäntyyppiset toiminnot, pohtii Rantasila. n 18 VTT Impulssi

automatisoinnin lisäksi tuotantologistiikkaa voidaan tehostaa esimerkiksi varaston sisäisillä robotiikkaratkaisuilla.

Automatisoinnilla on kuitenkin merkittävämpi rooli kokonaisten toimitusketjujen tehostajana. Tämä tulee muokkaamaan ihmisten työtä samalla tavalla kuin traktorit ja puima­koneet aikoinaan maataloudessa.

– Fyysisen työn määrä laskee. Ihmisillä kuitenkin riittää tekemistä huollon, virhekorjausten ja lisäarvon tuottamisen parissa, arvioi Kyösti Orre.

Parempi tuottavuus ja perustyön automatisoiminen kuulostaa lupaavalta, mutta kolikolla on myös kääntöpuolensa.

Digitalisoitunut toimintaympäristö on voimakkaasti riippuvainen sähköstä ja tietoturvallisuudesta. Niiden tiimoilta esiin nousevat muun muassa liikesalaisuuksiin, hakkerointiin sekä yksityisyyden suojaan liittyvät kysymykset. Häiriö- ja ongelmatilanteet eivät ole enää pelkästään paikallisia tapahtumia, vaan koko globaalia toimitusverkkoa ravisuttelevia kriisejä.

Suurien uhkien torjunnassa tehdään entistä enemmän kansainvälistä yhteistyötä. Turvallisuus­uhkien tunnistaminen ja niihin vastaaminen onkin yksi merkittävä tekijä digitaalisen ja automatisoidun toimitusketjun jatkuvuuden turvaamisessa.

– Erilaisia uhkia on ollut jo pitkään, mutta ajan myötä ne ovat muuttaneet muotoaan. Liiketoimintauhkien rinnalla voidaan puhua myös tietoturvasta sekä varastotoimintojen fyysisestä työturvallisuudesta, joka on parantunut automatisoinnin ja robotiikan myötä, Karri Rantasila summaa.

kolumni

Olli Ernvall päätoimittaja VTT Impulssi

”Valtiovallan ja yritysten t&k-investoinnit tulisi saada kasvuun.”

T&K-investoinnit vaativat pitkäjänteisyyttä

K

ansainvälisissä kilpailukykyja tehokkuusarvioissa Suomi on tunnettu eturivin pelaajana.

Arvostettu World Economic Forum (WEF) arvioi nyt syyskuussa, että Suomen kansan­talous on maailman neljänneksi kilpailukykyisin.

Viime vuonna Suomi oli vastaavassa vertailussa kolmannella sijalla. Kesäkuussa Suomi rankkeerattiin Maailman talousfoorumin mukaan EU:n kilpailukykyisimmäksi ja innovatiivisimmaksi maaksi. Lyhyiden konjunktuuri­ noteerausten sijasta näissä arvioissa mitataan kansan­talouden pitkän aikavälin kilpailukykyä.

Asiathan ovat siis hyvin, vai ovatko?

Kuten elinkeinoministeri Vapaavuori tämän lehden pääkirjoituksessaan toteaa, talouden nykytilaa on turha kaunistella, ja Suomen tuore luottoluokituksen heikkeneminen AAA-luokasta luokkaan AA+ on siitä hyvä todiste.

On tietenkin hyvä, että isänmaamme suoritus­kykyä arvioidaan säännöllisesti ja eri mittareilla. Arvioista ei ole kuitenkaan hyötyä, jos ne ohitetaan tai niihin ei suhtauduta vakavuudella. Arvokkain anti niistä saadaan silloin, kun tiedetään missä mennään, nähdään tulevaisuuteen ja osataan tehdä johtopäätöksiä siitä, mitä seuraavaksi pitää tehdä.

Kun vaihtotaseemme on koko kuluvan vuoden ollut alijäämäinen, kertoo se, että Suomi

velkaantuu ulkomaille. Vaihtotaseeseen sisältyvä kauppataseemme osoittaa, että Suomi tuo enemmän kuin vie.

Tämä kehitys ei ole kestävällä pohjalla. Voi siis kysyä, onko syy yllättävän hyvään sijoitukseemme WEF:in arviossa siinä, että Suomessa sekä valtio että yritykset ovat aiemmin investoineet pitkäjänteisesti tutkimukseen ja innovaatioihin – ja selvästi enemmän kuin muualla Euroopassa? Naapurimaamme Ruotsi sijoittaa BKT:lla mitattuna suhteellisesti eniten tutkimukseen ja kehitykseen ja kasvattaa julkista t&k-panostustaan! Maan talous on nyt paremmalla tolalla.

Kannattaa siis miettiä korjaammeko Suomessa nyt niitä viimeisiä talouden hedelmiä, joita aiempien vuosien vahva t&k-panostus on tuottanut?

Luottoluokituksen aleneminen on siis vahva signaali siitä, että valtiovallan ja yritysten ja t&k-investoinnit tulisi saada kasvuun. Etenkin, kun tutkimus ja kehitys, erityisesti soveltavan tutkimuksen tulokset, ovat talouskasvun katalyytti. Ellemme investoi rohkeasti ja jopa riskillä uuteen teknologiaan ja innovaatioihin, menetämme kilpailukykymme yhä tiukentuvilla kansainvälisillä markkinoilla.

Rohkeat yritys- ja budjettipäättäjät rokan syövät ja t&k-laihdutuskuurin sijasta tuovat uutta voimaa kansantaloutemme lihaksiin. n

VTT Impulssi 19

TIEDE

VTT-asiantuntijat tekevät tieteestä teknologiaa

Kaavakuva ja elektronimikroskooppikuva spontaanisti suunnatusta itsejärjestyneestä materiaalista.

Molekyylit riviin uudella tavalla miten nanometriset molekyylit saadaan järjestymään itsestään saman-

suuntaisiksi nanorakenteiksi millimetritasolla? Aalto-yliopiston, Politecnico di Milanon ja VTT:n tutkimushankkeen tuloksena syntyi uusi menetelmä ulottaa molekyylien hallittu itsejärjestyminen nanotasolta millimetritasolle ilman aiemmin tarvittuja välivaiheita.

Teknologiassa molekyylien itsejärjestymistä hyödynnetään eräänlaisena muottina nanolaitteiden valmistuksessa, kun halutaan hallitusti siirtää molekyylitason rakenteet makroskooppiselle tasolle. Työ on aiemmin vaatinut useita välivaiheita, mutta nyt tehdyn keksinnön avulla ne vähenevät merkittävästi.

Painomenetelmä ohutkalvotransistoreille VTT:n kehittämällä menetelmällä ohutkalvo­ transistorien valmistaminen voidaan hoitaa täysin rullalta rullalle -tekniikoilla. Tähän asti valmistus on nojannut niihin vain osittain, jolloin massatuotannon kustannukset ovat kohonneet korkeiksi. Teknologian markkinoiden ennakoidaan kasvavan nykyisestä noin 3 miljoo­nasta dollarista 180 miljoonaan dollariin kymmenessä vuodessa.

20 VTT Impulssi

Parempaa kangasta jätetekstiilistä VTT kehittää menetelmiä, joilla kuluneet kuidut voidaan palauttaa uudenveroiseksi. Kehitteillä on menetelmiä, joilla jätetekstiilien sisältämät selluloosamolekyylit, kuten puuvilla, irrotetaan tehokkaiden ja ympäristöystävällisten liuottimien avulla. Kuluneen kankaan kuitukomponentit voidaan erotella ja palauttaa takaisin tekstiilituotantoon raaka-aineeksi. Lopputuloksena voi olla tuote, joka vastaa alkuperäistä kangasta tai on jopa parempi.

Uudenlaista sähköntuotantoa VTT:n tutkijat ovat todentaneet kokeessaan ensi kertaa uuden tavan tuottaa sähköenergiaa.

Uutta sähköntuottotapaa voidaan hyödyntää energian keräämisessä, jossa ympäristön energiaa, kuten mekaanista värinää, muutetaan sähköenergiaksi. Energian keräimiä tarvitaan esimerkiksi langattomissa, energiaomavaraisissa antureissa ja lääketieteen implanteissa, joissa ne voivat korvata paristojen käytön.

Menetelmä voisi olla teollisuuden käytössä 3-6 vuoden kuluttua.

180 milj.

Ohutkalvotransistorien markkinoiden arvioidaan kasvavan kymmenessä vuodessa 180 miljoonaan dollariin.

tiede

Materiaalit kiertoon

Kuva: Niina Stolt / Studio Onni

tutkija TkT Olli Salmi nimitettiin vuonna 2012 VTT:n teollisen ekologian ja uusien kierrätys­ teknologioiden tutkimusprofessoriksi. Salmi johtaa VTT:n mineraalitalouden innovaatioohjelmaa, jonka tavoitteena on merkittävästi parantaa luonnonraaka-aineiden taloudellisesti ja ekologisesti kestävää hyödyntämistä.

Ennen VTT:lle siirtymistään Salmi työskenteli yksityisellä sektorilla kestävän kaupunkisuunnittelun parissa Kiinassa ja Suomessa.

olli salmi • tutkimusprofessori, teollinen ekologia, VTT • ympäristö- ja yhdyskuntatekniikan tohtori

VTT Impulssi 21

chemsheet-innovaatioilla

tietä

uusille ratkaisuille Prosessien ja materiaalien kehitystyölle on yhteistä pyrkimys parempaan toiminnallisuuteen ja aina uusiin ratkaisuihin, jotka säästävät sekä materiaaleja itseään että energiaa ja ympäristöä.

Sovelluksesta riippuen onnistumiseen vaikuttavat fysikaalisten ja kemialliset vuorovaikutusten lisäksi ympäristötekijät.

Teksti Pertti Koukkari, Risto Pajarre, Petteri Kangas

22 VTT Impulssi

T

tiede

utkimusprofessori Pertti Koukkarin joh- eri olosuhteissa. Prosessitekniikassa pyritään tama asiantuntijaryhmä on kehittänyt samalla tavoin optimaaliseen toiminnallisuuteen uuden termodynaamisen laskentamene­ sekä käytettävien raaka-aineiden ja energian että telmän, jolla voidaan monipuolisesti kokonaisuuden ympäristövaikutusten suhteen. ennustaa ja ohjata sekä funktionaalisten mateMateriaalivirroissa ja -rakenteissa ilmeneriaalien valmistusta että entistä tehokkaampien vät kemian ja fysiikan vuorovaikutukset voidaan kemiallisten ja biokemiallisten prosessien kehit- kuvata matemaattisessa muodossa termodynaatämistä. misen vapaaenergiafunktion avulla. VapaaenerVuonna 2007 professori Koukkari ja erikois- giafunktion minimointi yhdistää termodynatutkija Risto Pajarre saivat niin sanotusta rajoi- miikan pääsäännöt ja määrää kvantitatiivisesti tettua termodynaamisen energian minimoin- kaikki muutokset, joita fysikaaliset ja kemiallitia (CFE) koskevasta julkaisustaan tiedelehti set ajavat voimat saavat eri materiaaleissa aikaan.

CALPHAD Journalin (1) parhaan julkaisun pal- Spontaanisti tapahtuvaa kemiallista muutosta kinnon. Julkaisussa esitettiin ensi kertaa mene- ohjaa reaktio­systeemin pyrkimys tasapainoon telmä, jolla termodynaamisen vapaanenergia- (vapaan energian minimiin). Kun termodynafunktion käyttö voidaan yleistää systeemeille, miikka lisäksi antaa eri energiamuotojen välisjossa esiintyy muitakin kuin globaaliin kemialli- ten muutosten matemaattisen kuvauksen, on seen tasapainoon johtavia vuorovaikutustekijöitä. asiantuntijalla käytössä tehokas ja systemaattinen keino­v alikoima Julkaisussa esitetyn niin materiaalien omiperiaatteen avulla voinaisuuksien kuin prodaan ottaa huomioon palkittu menetelmä ajasta riippuvat dynaasessien käyttäytymisen miset ja monipuolihallintaan. Tietotekon johtanut useihin sesti erilaiset fysikaaliniikan nopea kehitys käytännön sovelluksiin. set tekijät perinteisissä on viime vuosikymmelaskentarutiineissa, ja ninä tullut avuksi abstsiten merkittävästi laaraktin teorian muutjentaa niihin perustuvien tekniikoiden sovellus- tamisessa käytännön sovelluksiksi. Etuna on mahdollisuuksia. Palkittu menetelmä on sittem- kuitenkin myös, että termodynaamisten ongelmin johtanut useihin käytännön sovelluksiin, mien ratkaisu ei yleensä vaadi suurta laskentajoita on esitelty sekä VTT:n tutkimusraporteissa kapasiteettia, vaan henkilökohtaisten työasemien että kansainvälisillä tiedefoorumeilla. Uusi lähes- numeriikkateho on yleensä varsin riiittävä. tymistapa on myös lisännyt kiinnostusta VTT:n Perinteiset termodynamiikan laskentameneChemSheet-laskentaohjelman käyttöön eri puo- telmät keskittyvät lämpötilan ja paineen vaihlilla maailmaa. Professori Koukkari on koon- teluiden materiaaleissa aiheuttamien olomuonut CFE-laskentamenetelmän taustan uuteen tomuutosten ja kemiallisten reaktiotuotteiden VTT Technology -sarjan julkaisuun ja vaativaan kuvaamiseen. Niinpä kansainvälisesti laajassa aiheeseen liittyvät kaksi väitöskirjaa ovat valmis- käytössä olevat laskentamenetelmät soveltuvattumassa. kin erityisesti muun muassa kemiantekniikassa ja materiaalitieteissä laajasti käytettyjen faasitaMuutosdynamiikka sapainoja kuvaavien diagrammien tuottamiseen ja globaalisten tasapainotilojen ratkaisemiseen. mukaan tasapainolaskentaan Monimutkaisten kemiallisten ja fysikaalisten Käytännön prosesseissa kuitenkaan tasapaivuoro­vaikutusten hallinta on prosessi- ja mate- noa ei useimmiten joko saavuteta tai käsiteltävän riaalitieteissä keskeinen ongelma. Fysikaalis- materiaalin koostumukseen vaikuttavat muutkin kemiallisten riippuvuuksien avulla kehitetään kuin kemialliset tekijät. Prosessiteknisille sovelmateriaalien rakenteellisia ja toiminnallisia omi- luksille tarvittiinkin uusi lähestymistapa, jolla naisuuksia sekä hallitaan niiden kestävyyttä sekä kemiallisten muutosten aika­dynamiikka että

VTT Impulssi 23

Kuva 1. ChemSheet-laskenta soveltuu monipuolisesti vaativien teollisuuskohteiden mallinnukseen. Kuvan

tutkijoilla on kokemusta mallien laatimisesta niin biomassan termisessä käsittelyssä, sellun- ja paperinvalmistuksessa kuin kemiassa ja materiaalitekniikassa. Vasemmalta Petteri Kangas, Anna Kalliola ja Risto Pajarre. Taustalla kuparin liekkisulatusprosessin ChemSheet-malli.

eri tavoin vaikuttavat fysikaaliset tekijät voidaan ottaa huomioon vapaan energian minimoinnissa.

Menetelmän tieteellinen merkitys liittyy juuri sen kykyyn määrittää termodynaamiset potentiaalit monipuolisesti ja toisen pääsäännön mukaisesti myös muutosten aikana, ei vain tasapainotiloille.

Se mahdollistaa siten myös laskennan tapauksille, joissa ulkoisella energiapanoksella muutos saadaan tapahtumaan päinvastaiseen (ei-spontaaniin) suuntaan esimerkiksi akkuja sähkö­ virralla ladattaessa.

VTT:n kehittämät laskentaohjelmat on kaupallistettu yhdessä saksalaisen GTT Technologies GmbH:n kanssa, joka markkinoi termodynaamisia laskentaohjelmistoja ja tietokantoja maailmanlaajuiseen levitykseen. ChemSheetohjelmisto on jo vuodesta 1999 lähtien kuulunut tähän tuoteperheeseen. ChemSheet- ja rumpu-uunien simulointiin kehitetty KilnSimu ovat käytössä yli 20 maassa sekä tutkimuslaitoksissa että teollisuudessa. Japanissa ohjelmien kaupallisesta soveltamisesta huolehtii Tokiossa sijaitseva prosessilaskentaan keskittynyt yhtiö RCCM, ja yhteistyössä on ollut mukana myös suomalainen prosessisimulointiin erikoistunut PK-yritys Process Flow Ltd OY. 24 VTT Impulssi

Prosessitekniikka: energiansäästöä ja uusia ratkaisuja Termodynamiikan yleisimpiä lakeja hyödyntävän CFE-menetelmän sovellukset ovat hyvin monipuolisia ja ulottuvat nanomateriaalien ominaisuuksien ennustamisesta täysimittaisten teollisten prosessien kehittämiseen.

Prosessimalleja on valmistettu niin energiaja metsäteollisuudelle kuin myös kemian teollisuuteen ja metallinjalostajille. Esimerkiksi prosessiteollisuuden suurissa yksikkölaitteissa kuten polttokattiloissa ja rumpu-uuneissa esiintyy usein monimutkaista kemiaa, jota ei voida vaativien olosuhteiden vuoksi seurata suorilla mittauksilla.

Uuden menetelmän ansiosta näiden prosessien laskennallinen simulointi onnistuu kuitenkin varsin hyvällä tarkkuudella. Kun termodynaaminen menetelmä lisäksi huomioi samanaikaisesti sekä kemialliset että energiamuutokset, on monesti voitu saavuttaa huomattavia parannuksia prosessien raaka-aineja energiatehokkuudessa vain muuttamalla ajo-olosuhteet tietokonesimulointiin luottaen. Esimerkiksi sinkin kierrätyksessä käytetyn rumpu-uunin hiilijalanjälkeä on näin voitu

pienentää jopa 40 prosenttia, ja ChemSheetmallia kehitysvaiheessa soveltanut prosessiratkaisu on nyttemmin hyväksytty EU:n BAT-luokitukseen.

ChemSheetin etu on myös siinä, että termo­ dynaaminen kuvaus kattaa systeemin kaikki alkuaineet ja yhdisteet eikä rajoitu pää­komponenttien reaktioihin, kuten perinteiset prosessikemian mallit. Siten haitalliset päästöt ja mahdolliset sivutuotteet tulevat myös yksityiskohtaisen simulointitarkastelun piiriin. Tätä on sovellettu muun muassa Japanissa UBE:n sementtitehtailla haitallisten kloridien ja sulfaattien poistamiseksi sementinvalmistusprosessista ja edelleen Suomessa muun muassa prosessin vierasaineiden talteenottoon sellutehtaiden kemikaalikierrosta. ChemSheet-tekniikan monipuolisuutta kuvaa sekin, että Japanissa huomio kohdistuu yli 1 400-asteiseen sementtiuunin kaasukiertoon, kun taas vierasainekontrollia toteutetaan metsäteollisuuden vesikierroissa.

Tyypillinen teollinen sovelluskohde on myös kokonaan uuden prosessikemian konseptin sisäänajo onnistuneen simuloinnin avulla; tällai-

Kuva 2.

VTT:n kehittämät laskentaohjelmat on kaupallistettu GTT TECHnOLOGIES GMbH:N KANSSA.

Kemialaskenta voidaan yhdistää myös 3-dimensionaaliseen virtauslaskentaan pyrittäessä yksityiskohtaisiin reaktorisimulointeihin. Kuvassa on esitetty pyörivän rumpu-uunin yhdistetty virtaus- ja kemiamallin laskenta.

Alakuvan värikoodi kuvaa uunin kaasufaasin säteittäistä lämpötilajakautumaa ja yläkuva uunin alaosassa reagoivan kiintoainepedin lämpötilaa. Kaksisuuntaisessa kytkennässä pedin kemiamalli ja kaasun virtausmalli käyttävät vuorotellen toistensa reunaehtoja ja tuottavat näin parhaan laskentatuloksen. (http://www.kilnsimu-fks.com/2014) VTT Impulssi 25

CFE-menetelmän käyttöönotto on tuottanut monia uusia avauksia materiaalitieteissä.

nen oli esimerkiksi paperiteollisuudessa toteutettu mittava siirtyminen neutraaliin paperinvalmistukseen 2000-luvun alussa. Keskeinen innovaatio oli selluloosakuidun sisäisen sähkövarauksen – niin sanotun kuidun ioninvaihtopotentiaalin – sisällyttäminen paperikoneiden kemiamalleihin juuri VTT:n kehittämän CFE-tekniikan avulla. Termodynaamisen ioninvaihto­potentiaalin avulla päästiin kontrolloimaan konesulpun happoisuutta ja voitiin määrittää neutraalissa ajotavassa tarvitut uudet kemikaaliannostukset.

Tämän päivän kehityshaasteeksi paperi­koneilla on muodostunut täyteaineen in-line–valmistus (InLine PCC) saostamalla karbonaatti hiilidioksidilla suoraan paperikoneen putkilinjassa. VTT:n tutkijat tekevät yhteistyötä Savonlinnassa toimivan teknologiayritys Wetend Technologies Oy:n kanssa, joka markkinoi ja kehittää in-line-tekniikkaa.

Kesällä 2014 Wetendin suorittamissa pilotkokeissa onkin saatu merkittäviä uusia tuloksia.

Tuotantokustannuksiltaan hyvin kilpailukykyisellä In-Line PCC tekniikalla tehdyn täyteaineen käyttöönotto tuottaa käyttäjälle huomattavia etuja muodostamalla lujia kuitu-karbonaatti-komposiittirakenteita korvaamalla paperissa tai kartongissa

Joukko CFE-menetelmällä laskettuja uudentyyppisiä faasidiagrammeja

Kuva 3.

Vasemmalla tina-vismuttiseoksen eutektista sulamista kuvaava faasidiagrammi perusmateriaalille ja 10 nanometrin kokoiselle partikkelille (tähtimerkki osoittaa kokeellista mittauspistettä). Nanokokoisen partikkelin pintaenergia laskee seoksen sulamispistettä. (Lee, Penttilä & al., JOM-J Min. Met. Mat. S. 2005) Oikealla kiehumis- ja kastepistepintojen topologia reaktiivisessa etanoli – etikkahapposeoksessa esitettynä ns. isoaffiniteettipintoina reaktion etenemisasteen ( ) suhteen. Reaktion etenemisellä rajoitetut faasidiagrammit voivat auttaa esimerkiksi uusien biokemikaalien energiatehokkaiden talteenottoprosessien kehittämisessä. (Koukkari& Pajarre, Pure App. Chem. 2011)

26 VTT Impulssi

Kuva 4.

Pyöriviä rumpu-uuneja käytetään monissa prosessiteollisuuden sovelluksissa.

arvokasta kuitua täyteaineella ja puhdistamalla tehtaan vesikiertoa.

Tulevaisuuden haasteita BAT-tekniikoisssa ja prosessien ohjauksessa Prosessiteollisuuden globaalisti käynnissä oleva digitalisointi antaa termodynaamisella lähestymistavalle uusia mahdollisuuksia ja tuo uusia haasteita. Useimmat perinteiset prosessithan on lähtökohtaisesti suunniteltu aikana, jolloin ChemSheetin kaltaisia kehittyneitä tietokone­ tekniikoita ei ollut käytettävissä. Kehitettäessä uusia BAT-tason tekniikoita mallinnus on havaittu hyväksi työkaluksi yksikkövaiheiden maksimitehokkuutta ja minimipäästöjä tavoiteltaessa.

Yksikköprosessien monikomponenttimallit voidaan edelleen yhdistää koko prosessin seurantajärjestelmäksi. Mikäli prosessin aikavakiot sen mahdollistavat, voidaan termodynaamisia malleja hyödyntää myös suoranaiseen prosessiohjaukseen. Esimerkki julkaistusta ohjausmallista on Kanadassa Xstrata Nickel -yhtiön monivaiheinen nikkelisulaton C ­ hemSheetsimulointi, jota käytetään sulaton on-lineohjauksen tukena.

Suomessa tutkitaan parhaillaan vastaavien ratkaisujen kehittämistä muun muassa FIMECC-SHOKin ohjelmaprojekteissa. Ajankohtaisia sovellusalueita ovat myös erilaiset kierrätys- ja cleantech-ratkaisut. Esimerkiksi Itävallassa ChemSheet-ohjelmaa on hyödynnetty kehitettäessä yhdyskuntajätteestä talteenotettujen fosfaattiravinteiden puhdistukseen ja kierrätykseen liittyvää teknologiaa.

Uusia avauksia materiaalitieteissä Vaikka VTT:n tutkijoiden pääkohteena ovat olleet edellä kuvatut perinteisemmät prosessiteknologiat, on CFE -menetelmän käyttöönotto tuottanut monia uusia avauksia myös materiaalitieteiden alueella. Materiaalitekniikan haasteena on useimmiten rakenne–ominaisuudet– suorituskyky (structure-property-performance) -ketjun hallitseminen. Myös tähän termodynamiikka tarjoaa usein käyttökelpoisia ratkaisuja ennustamalla koostumuksesta riippuvien työfunktioiden vaikutusta joko materiaalien muokkaukseen tai niiden toimintaan.

Uusia tutkimusaiheita kartoitetaan VTT:n kansainvälisessä yhteistyössä, mutta myös ChemSheet-ohjelman käyttö eri puolilla maaVTT Impulssi 27

kierrätys ja cleantech ovat ajankohtaisia sovellusalueita.

Kuva 5.

Hiilipitoisen rauta-kromiseoksen jähmettymiselle CFE-menetelmän avulla laskettu faasidiagrammi. Paratasapainoille tyypillistä on globaaleja tasapainoja huomattavasti yksinkertaisempi faasirakenne. Niiden koostumuksen hallinta auttaa uudentyyppisten kovien ja rasitusta kestävien teräslaatujen valmistamista (Pelton, Koukkari & al. J. Chem. Thermodynamics 2014)

28 VTT Impulssi

ilmaa tuo tietoa kohteista, joihin CFE-tekniikkaa on sovellettu. Uusi tekniikka tarjoaa esimerkiksi keinon tarkastella materiaaliseoksiin niiden valmistusvaiheessa muodostuvien pintakerrosten toiminnallisuutta suhteessa prosessointi- tai käyttöympäristöön.

Norjalainen SINTEF-tutkimuslaitos on hyödyntänyt ChemSheet-pintafaasitarkastelua sekä piipitoisten metalliseosten (niin sanotun ferropiin) sulaprosessien kehitystyössä että muun muassa aurinkokennopiin pintaominaisuuksien tutkimuksessa ja kehittämisessä. Japanissa Osakan yliopisto ja sen yhteistyöyritykset ovat soveltaneet pintaenergiatutkimusta uusien muun muassa tuulivoimaloissa ja sähkö- ja hybridiautoissa käytettävien neomagneettien valmistustekniikan kehittämiseen. Tavoitteena on ollut hyödyntää nanokokoisten jauheiden pintaenergiaa siten, että lopullisessa tuotteessa saavutetaan mahdollisimman korkea magnetoituminen käyttämällä kuitenkin mahdollisimman pientä määrää arvokasta metallikomponenttia.

Taipuisien näyttöjen kehitystyössä taas on ongelmana löytää materiaaleja, joilla on riittävä sähkönjohtavuus mutta joiden raerajoilla vaikuttavat pintavoimat kuitenkin ovat riittäviä pitämään materiaalin eheänä sitä taivutettaessa. Pintaenergian ja koostumuksen vuorovaikutukset keskenään liittävien laskentamallien avulla voidaan kartoittaa sopivia materiaaliyhdistelmiä, joissa kumpikin ominaisuus on optimoitu.

Prosessiliuokset

Kuva 6.

Uusia kemiallisia tasapainotarkasteluja tarvitaan etenkin vaativille prosessiolosuhteille. Kuvassa vasemmalla on mallinnettu sulfaattisuolojen liukoisuuksia kuumille (100 C) vesiliuoksille. Liukoisuustarkastelut ovat käytössä mm. kehitettäessä uusia vesikemian Cleantech sovelluksia metsä-, kemian ja kaivosteollisuudelle (Pajarre 2014).

Oikealla ydinvoimaloiden kemiaturvallisuusmallin todentaminen mittaustulosten perusteella. Turvajärjestelmän vesialtaiden pH-kontrollin avulla estetään radioaktiivisten yhdisteiden vapautuminen onnettomuustilanteissa (Penttilä ym. 2009).

Ydintekniikan vaativat materiaalisovellukset ovat oma laaja kokonaisuutensa, samoin kuin ydinlaitosten kemiaturvallisuuden kuten onnettomuustilanteissa mahdollistenradioaktiivisen cesiumin ja jodin päästöjen estämiseen liittyvien ratkaisujen kehittäminen.

ChemSheetin avulla vaativa materiaalikemia on VTT:ssä liitetty osaksi yhdysvaltalaista MELCOR-simulointiohjelmistoa, ja yhdistelmätekniikalle on saatu USA:n ­ydinturvallisuusviranomaisen (NRC) edellyttämä laatuluokitus. Lisäksi VTT:ssä vastikään valmistuneessa diplomityössä tekn.yo Henri Loukusa on laatinut uuden tietokoneohjelman, jolla voidaan määrittää ydinpoltto­aineessa syntyvien kemiallisten yhdisteiden muodostuminen. Ydinreaktiossa polttoaineeseen syntyy kymmeniä hajoamistuotteita. Näiden kemiallinen käytös vaikuttaa polttoaineen materiaaliominaisuuksiin, jotka ovat tärkeitä ydinvoimaloiden turvallisuusanalyyseissä. Tämän monimutkaisen systeemin kemian mallintaminen on liki mahdotonta muuten kuin termodynaamisin keinoin.

Terästuotteille lujuutta ja korroosiokestävyyttä Terästeollisuus on ollut alussa m ­ ainittujen termodynaamisten faasipiirrosten ­keskeinen soveltaja.

Teräs saa ominaisuutensa paitsi seosaineistaan myös sen jähmettymisessä ja muokkauksessa tapahtuvissa faasimuutoksissa. Nämä muutokset eivät kuitenkaan läheskään aina tapahdu tasapainoperiaatteiden mukaisesti, sillä teräksen muokkausprosesseissa usein tavoitellaan esimerkiksi lujuuden, kovuuden tai korroosiokestävyyden vuoksi rakenteita, jotka eivät vastaa koostumuksen mukaista faasitasapainoa.

Erikoiskovien terästen valmistuksessa hyödynnetään niin sanottuja paratasapainoja, joissa epämetalliset aineet (kuten hiili) hakeutuvat tasapainoon ja metalliset komponentit (kuten rauta, kromi ja nikkeli) esiintyvät eri faaseissa vakiosuhteissa. Näiden erikoisseosten valmistus on tunnettu kokeellisten menetelmien kautta.

Rajoitettu vapaaenergiatekniikka antaa kuitenkin uusia mahdollisuuksia kun paratasapainojen teoreettinen faasikuvaus voidaan hyödyntää tietokonesimulointien avulla. Paratasapainojen termodynaaminen rajaus noudattaa samoja periaatteita kuin kemian prosesseissa käytetty reaktiokinetiikan mukainen rajaus.

Terästen käsittelyssä kuitenkin on mahdollista soveltaa myös muita CFE-tekniikan tarjoamia keinoja, ja siten esimerkiksi mekaanisen työstön (valssauksen) tai jopa magneettisten ausVTT Impulssi 29

mielenkiintoinen sovellusalue on polttomoottorien kemiallistermodynaaminen simulointi.

pertti koukkari Tekn.tri Pertti Koukkari toimii Kestävien kemiallisten prosessien ja systeemien mallinnuksen tutkimusprofessorina VTT Prosessikemian liiketoiminta-alueella.

Professori Koukkarin erikoisalaa on kemiallisen monifaasitermodynamiikan soveltaminen säästävien prosessiratkaisujen ja toiminnallisten materiaalien kehittämisessä.

Hänen johdollaan VTT:ssä kehitetty rajoitetun vapaan energian tekniikka sekä ChemSheet- ja KilnSimulaskentaohjelmat ovat kansainvälisesti tunnustettuja ja käytössä yrityksissä, yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa yli 20 maassa.

30 VTT Impulssi

teniitti-/ferriittimuutosten simulointi voi auttaa uusien materiaalilaatujen kehittämisessä.

Erinomainen esimerkki ChemSheet-tekniikan avulla toteutetusta materiaalisovelluksesta on myös Valmet Powerin piirissä kehitetty SteaMax-asiantuntijajärjestelmä, jolla hallitaan biopolttokattiloiden lämmönvaihdinten materiaalikestävyyttä ja korroosionestoa. Tärkeintä on kyetä välttämään haittavaikutukset, joita biopolttoaineen ja poltossa käytettyjen jätejakeiden sisältämistä yhdisteistä aiheutuu. Korroosiota ja lämmönvaihtopintojen likaantumista aiheuttavia yhdisteitä muodostavat etenkin kloori sekä alkali- ja raskasmetallit.

Käyttöhäiriöiden välttämiseksi ja laitoksen kriittisten komponenttien, esimerkiksi lämmön­ vaihtimien käyttöiän turvaamiseksi Valmet hyödyntää ChemSheet-ohjelmaan perustuvaa asiantuntijajärjestelmää. Järjestelmä kertoo yhdisteet ja faasit, joita näistä ja muista prosessin alkuaineista muodostuu lämmönvaihtokanaviin.

Lisäksi ohjelma määrittää kulloisissakin koostumuksissa turvallisesti saatavan maksimin höyry­ lämpötilalle, joten sitä voidaan käyttää paitsi Valmetin asiakaspalvelun tukena myös lämmönvaihtimien teräslaadun valitsemiseen laitosta suunniteltaessa.

Julkaisuja ja opinnäytteitä Tuoreessa VTT Technology -sarjan julkaisussa uusi menetelmä esitellään yksinkertaisten perusesimerkkien avulla. DI Risto Pajarteen Aalto-yliopistossa valmistumassa oleva väitöskirja kuvaa paitsi CFE-tekniikan termodynaamista perustaa myös uusia sovellusalueita muun muassa materiaalitieteissä keskeisten rajapintailmiöiden sekä ulkoisten kenttävoimien ja kemiallisten muutosten vuorovaikutuksen alueilla. Esimerkiksi magneettikentän vaikutus materiaalikemiassa ja faasi­rakenteissa voi tuottaa sovelluksia harvinaisten maametallien poikkeuksellisia ominaisuuksia hyödyntävissä hybriditekniikoissa tai ferriittisten erikoisterästen valmistuksessa sekä esimerkiksi vedyn varastointiin tarvittavien materiaalien kehittämisessä.

Tekn. lis. Petteri Kankaan väitöskirja CFEtekniikan käytöstä biomassan uusien kaasutus- ja pyrolyysitekniikoiden simulointimallien kehittämisessä on myös loppusuoralla Åbo Akademissa. ”Termodynaaminen lähestymistapa antaa yhteisen arviointiperustan, jolla voi helposti vertailla eri tekniikoiden raaka-aine- ja energiatehokkuutta”, sanoo Kangas.

Metsäteollisuus – termiset biomassaprosessit 1-3

Kuva 7.

Esimerkkejä metsäteollisuuden kemikaalikiertojen ja biomassan termisen käsittelyn vaativien yksikköprosessien mallintamisesta.

Vasemmalla rikin ja alkalimetallien rikastuminen soodakattilan savukaasuihin. CFE-mallissa rikastusmiskertoimien avulla määritelty savukaasuihin päätyvä rikin ja alkalimetallien määrä, muuten savukaasu on paikallisessa termodynaamisessa tasapainotilassa. (Kangas et al., J-FOR 2013).

Keskellä biomassan kaasutuksessa muodostuvan synteesikaasun pääkomponentit. CFE-mallissa rajoitettu kineettisesti metaanilkaasun ja tervojen syntyminen sekä koksinmuodostus. Muuten systeemi on paikallisessa termodynaamisessa tasapainotilassa. (Kangas et al., Fuel 2014).

Oikealla hiilikonversio biomassan pyrolyysissä. CFE-mallissa rajoitin kiinteän biomassan pyrolyysille.

(Kangas et al., Energy & Fuels 2014).

”Eräs mielenkiintoinen sovellusalue on poltto­m oottorien kemiallis-termodynaaminen simulointi, jossa muun muassa uusien biopoltto­aineiden käytön optimointi muodostaa tulevaisuuden haasteen. Perinteiset poltto­ tekniikan mallit ovat joko kemialtaan yksinkertaistettuja termodynaamisia energiamalleja tai mekanistisia kemiamalleja, jotka koostuvat useista sadoista, jopa (kymmenistä) tuhansista reaktio­y htälöistä. Jälkimmäisten avulla on vaikea hallita polttosysteemin termodynaamisia suureita, jotka moottoritekniikassa ovat olennaisia. Tässä sovelluksessa VTT:n CFE-tekniikalle on vertailu­kohtana MIT:ssa 1990–2000-luvulla kehitetty RCCE-mallinnustekniikka, joka on erikoistunut polttoprosessien kinetiikan ja termo­dynamiikan yhdistämiseen.

Rajoitettu vapaaenergiatekniikka voisi hyödyntää eri tekniikoiden edut ja silti tuottaa käytännön sovellusten kannalta riittävän tilansuure- ja kemiakuvauksen polttotapahtuman olennaisista vaiheista”, sanoo Kangas. n

1 Calphad-lehteä on julkaistu 1970-luvulta lähtien ja se on erityisesti materiaalitieteiden piirissä arvostettu erikoisjulkaisu, joka keskittyy materiaalirakenteiden laskennalliseen termodynamiikkaan. Calphad-yhteisön kehittämät faasipiirrosten ja kemiallisen tasapainojen laskentamenetelmät on parin viimeisen vuosikymmenen aikana otettu käyttöön kaikkialla maailmassa ja niitä käyttävät nykyisin sekä yliopistot että teollisuus. Calphad-menetelmiin perustuvilla tietokonesimuloinneilla on ollut ratkaiseva merkitys materiaalitieteiden voimakkaassa kehityksessä viime vuosikymmeninä.

VTT Impulssi 31

metallien kierrätykseen hybridimenetelmillä uusia ratkaisuja

VTT on kehittänyt kriittisten ja arvokkaiden metallien talteenottoa hybridijärjestelmällä.

Se sisältää mekaanisen erottelun, bio- ja hydrometallurgiset prosessit sekä biosorption.

Teksti Olli Salmi, John Bachér, Jarno Mäkinen, Justin Salminen

32 VTT Impulssi

S

tiede

uomessa ja EU:ssa on viime vuosina jalostuslaitoksissa. käynnistetty mineraalisektorin tutkiTämä artikkeli käsittelee kriittisten ja arvokmus-, innovaatio- ja poliittisia aloit- kaiden raaka-aineiden talteenottopotentiaalia teita 1, joiden tavoitteena on edistää hybridijärjestelmällä, johon sisältyy mekaanista alan kestävää kasvua, luoda Eurooppaan uusia erottelua, bio- ja hydrometallurgisia prosesseja työpaikkoja ja turvata sen teollisuuden raaka- sekä biosorptiota. Olemme valinneet esimeraineiden saanti. Myös Suomessa käynnissä kiksi kullan, kuparin ja muovien talteenoton olevat tai päättyneet ohjelmat, kuten Teke- komponenttilevystä (printed circuit assembly, sin Green Growth ja Toiminnalliset materi- PCA), jossa on jäljellä tärkeimmät piirilevyn aalit sekä FIMECC SHOK, tukevat kestäväm- (printed circuit board, PCB) pintaan kiinnitemän ja teknologisesti vahvan mineraalisektorin tyt komponentit. Prosessia (kuva 1) voidaan soveltaa erilaisiin sivuainevirtoihin ja loppukehitystä.

Näissä ohjelmissa on hyvin harvoin kiinni- tuoteryhmiin: kulutustavaroihin, teollisuuden tetty huomiota koko mineraaliarvoketjun toi- välituotteisiin, prosessien sivuvirtoihin ja kaimintaan alkutuotannosta tuotteiden valmis- vosjätteeseen. Kaikkiin talteenottoprosesseitukseen ja kierrätykseen. Tämä johtuu osittain hin sisältyy esikäsittelyvaiheita, rikastamista ja raaka-aineiden arvoketjun luontaisesta epä- metallurgiaa. Syöttöaineen koostumuksesta ja jatkuvuudesta: mineraaleilla käydään kauppaa mineralogiasta riippuen voidaan soveltaa myös globaaleilla markkinoilla, eikä raaka-aineiden pyro- ja hydrometallurgiaa (biohydrometallurja lopputuotteiden välillä juuri ole vertikaalista gia mukaan lukien). integraatiota. Epäjatkuvuus koskee hyödykkeitä, kuten nikkeliä ja kuparia, joita on pitkään käy- Matkapuhelinten komponenttilevyjen tetty suuren volyymin lopputuotteiden valmis- murskaus ja vaahdotus tuksessa, ja joille on tarkat globaalit spesifikaa- Jätevirrat soveltuvat sellaisinaan harvoin talteentiot. Teknologiametallit, joita käytetään pieniä ottoprosesseihin epäyhtenäisyytensä takia. Jätmääriä, haastavat perinteet on ensin käsiteltävä teisen market commomekaanisesti, jotta niistä dity -ajattelun, koska saadaan jakeita, joiden kriittisten esteet niiden saatavuujatkokäsittely on helppoa. dessa saattavat vaaranMekaanisilla prosesseilla raaka-aineiden taa kokonaisten tuoteei kuitenkaan saada kaikkorvaaminen ryhmien valmistuksen. kea materiaalia talteen, edellyttää Arvoketjun loppupäässä mikäli tuotetusta jakeesta kriittisten raaka-aineiden halutaan parempilaakokonaan uutta korvaaminen edellyttää kuin syöte­aine. Sen suunnittelufilosofiaa. tuista kokonaan uutta suunnitvuoksi materiaalia joutuu telufilosofiaa, joka ottaa sellaisiin jakeisiin, joiden huomioon toiminnallijatkokäsittely ei ole mahsuuden lisäksi kierrätettävyyden ja ekologisuu- dollista. Erityisesti pieninä pitoisuuksina esiinden. Jos korvaavia aineita ei ole, on kiinnitettävä tyvät, taloudellisesti arvokkaat metallit jakaanentistä enemmän huomiota arvokkaiden metal- tuvat tyypillisesti kaikkiin tuotettuihin jakeisiin. liraaka-aineiden tehokkaampaan talteenottoon Materiaalihävikin välttämiseksi tarvitaan näin pienissäkin pitoisuuksissa (Salminen et.al.2014). ollen integroituja mekaanisia ja metallurgisia Vastaavasti kriittisiä raaka-aineita päätyy läjitet- prosesseja. täviksi arvoketjun alkupäässä eli kaivoksissa ja Tutkimuksemme kohteena ovat matkapuheEU:n Raaka-ainealoite (2008), Suomen kansallinen luonnonvarastrategia (2009), Suomen mineraalistrategia (2010), EU:n laatima kriittisten raaka-aineiden luettelo (2010), EU:n Resurssitehokkuuden tiekartta (2011), Tekesin Green Mining -ohjelma (2011), eurooppalainen innovaatiokumppanuus (EIP) raaka-aineiden alalla (2012), eurooppalainen harvinaisten maametallien asiantuntijaverkosto ERECON (2013) ja valmisteilla oleva Raaka-aineiden osaamis- ja innovaatioyhteisö (KIC). Lista ei ole kattava.

1

VTT Impulssi 33

Mobile phones

Dismantling (Manual and mechanical

Au recovery with biosorpition Yield 80-90% in one stage

Kuva 1.

Metallien talteenotto komponenttilevystä hybridimenetelmän avulla (yksinkertaistettu prosessikaavio).

Printed circuit assembly

Au leaching Non-cyanide (CI-CIO, thiourea)

Au recovery by solvent extraction (SX) Yield >90% in one stage → gold purification Residual solids to noise walls, gas, etc...

limet, sillä ne sisältävät paljon metallipitoisia komponenttilevyjä. Levyjen hallitseva metalli on kupari, jonka pitoisuus vaihtelee komponenttilevyn isäntälaitteesta riippuen 15–27 %:n välillä (Ogunniyi ja Vermaak, 2009; UNEP, 2013). Tutkimuksessa käytettyjen komponenttilevyjen kuparipitoisuus oli noin 25 %. Edistyneiden ja monimutkaisten laitteiden, kuten matkapuhelinten ja tietokoneiden, komponenttilevyissä on myös runsaasti jalometalleja (UNEP, 2013). Liittimissä käytetään esimerkiksi hopeaa, kultaa ja palladiumia (Luda, 2012).

Kokeilimme mekaanisia prosesseja, kuten murskaamista, seulontaa, magneettista erottelua, pyörrevirtaerottelua, anturipohjaista erottelua ja manuaalista lajittelua. Esikäsittely tuotti jakeen, jonka komponenttilevypitoisuus oli hieman yli 20 % syöteaineen pitoisuu-

kuva 2.

Rikastusaste verrattuna talteensaadun kuparin määrään rikastusaltaan metallirikastejakeessa.

34 VTT Impulssi

Crushing and Sieving

Hydrometallurgy base metals leaching, Cu primary target

Flotation (removal of plastics)

Heavy fracation (flotation underflow) Metals, Au, REE CU>40%

Cu recovery (selective precipitation, cementation, electrowinning) Bioleaching Cu leaching (Cu yield >90%)

Froth Plastics and some metals Cu <10%

desta. Havaitsimme, että manuaalinen jaottelu tuotti paremmanlaatuista komponenttilevyjaetta kuin mekaaninen käsittely. Manuaalisesti lajiteltu komponenttilevyjae murskattiin alle 250 µm:n raekokoon ennen vaahdotusta. Murskaus paransi metallien vapautumista, mikä on tehokkaan talteenoton edellytys. Murskauksella myös vältetään useita materiaaleja sisältävien hybridipartikkelien muodostuminen ja varmistetaan materiaalien erottuminen omiksi jakeikseen. Vaahdotuskokeissa keskityttiin antimonia, bromia ja kloridia sisältävien muovien erottamiseen, sillä ne aiheut­tavat korroosiota ja vaikeuttavat talteenottoa prosessin myöhemmissä vaiheissa.

Vaahdotusprosessissa hydrofobiset hiukkaset erotetaan hydrofiilisistä puhaltamalla ilmaa mineraalimurskeen ja veden muodostamaan

lietteeseen. Hydrofobiset hiukkaset kulkeutuvat ilmakuplien mukana lietteen pinnalle, mistä ne voidaan kuoria mekaanisesti talteen. Kokeet suunniteltiin faktorikokeina, joiden muuttujina käytettiin sekoitusnopeutta, ilmastusnopeutta ja lietteen kiintoainetiheyttä. Kolme keskipistettä sisältävän faktorikoesuunnitelman mukaisesti tehtiin 11 koetta. Jokaisen 30 minuutin kokeen aikana vaahdosta otettiin viisi osanäytettä. Vaahdotuksen tehokkuutta arvioitiin tarkkailtujen alkuaineiden (Cu, Au, Cl ja Si) rikastusasteilla ja talteenottomäärillä vaahdotuksen aikana.

Vaahdotuksen tehokkuus määritettiin analysoimalla tuotetut vaahtojakeet kannettavalla XRF-analysaattorilla; mittareina käytettiin talteenottoprosenttia ja rikastusastetta. Rikastusaste verrattuna talteensaadun kuparin määrään on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2 osoittaa, että kokeissa 8 ja 6 onnistuttiin rikastamaan kuparipitoisuus yli 1,5-kertaiseksi syöteaineen pitoisuuteen verrattuna.

Kokeen 8 kuparipitoisuus oli metallirikasteessa noin 43 % ja vaahdossa noin 9 %. Molemmat korkeimman rikastusasteen kokeet (6 ja 8) suoritettiin tiheällä lietteellä ja suurella sekoitusnopeudella, joilla osoitettiin olevan suuri vaikutus rikastusasteeseen. Ilmastusnopeuden vaikutus ei ole yhtä suuri, vaikkakin suuri ilmastusnopeus paransi talteenottoprosenttia. Koe 4 oli kuparin suhteen muihin verrattuna selvästi ei-selektiivinen. Hidas sekoitusnopeus yhdistettynä tiheään lietteeseen ja suureen ilmastusnopeuteen aiheutti todennäköisesti epäsuotuisat olosuh-

Koe 1

teet selektiiviselle vaahdotukselle, ja kuparihiukkasia päätyi sekä vaahtoon että metallirikasteeseen. Tässä tutkimuksessa saavutetut kuparin rikastusasteet olivat hieman alhaisempia kuin Ogunniyin ja Vermaakin (2009) saavuttamat, mutta toisaalta talteenottoprosentit olivat huomattavasti suurempia. Eroa voivat selittää syöteaineen erilainen koostumus, hiukkaskoko ja muoto sekä käytettyjen parametrien erilaisuus.

Alkuaineiden Au, Cl ja Si rikastusasteet ja talteenottoprosentit on esitetty taulukossa 1.

Vaahdotuskokeet osoittivat, että metallit rikastuivat lietteeseen, kun taas suurin osa muoveista, hartseista ja muista haitallisista aineista erottui vaahtoon. Vaahdotuksen faktorikokeet osoittivat, että optimaalisin kuparin rikastus saavutettiin lietteellä, jonka kiintoainetiheys oli noin 20 %, 1200 rpm:n sekoitusnopeudella ja 3000 ml/min ilmastusnopeudella, jolloin kuparipitoisuus onnistuttiin rikastamaan noin 25 %:sta 45 %:iin ja talteenottoaste oli 85 %.

Kuparin, kullan, kloorin ja piin rikastusasteet (ER) ja talteenottoprosentit.

TAULUKKO 1.

AINE

murskaus paransi metallien vapautumista.

KUPARI

KULTA

KLOORI

PII

Talteenotto %

ER

Talteenotto %

ER

Talteenotto %

ER

Talteenotto %

ER

98

1,12

91

1,04

84

0,958

80

0,922

Koe 2

97

1,17

88

1,06

88

0,979

83

0,922

Koe 3

96

1,24

83

1,08

79

0,947

73

0,873

Koe 4

61

1,14

59

1,11

42

0,779

35

0,665

Koe 5

83

1,37

73

1,20

61

0,922

47

0,720

Koe 6

78

1,56

62

1,25

43

0,816

32

0,607

Koe 7

89

1,45

75

1,22

55

0,888

42

0,684

Koe 8

81

1,70

61

1,28

35

0,731

21

0,439

Koe 9

77

1,49

63

1,20

42

0,803

31

0,597

Koe 10

91

1,40

77

1,18

63

0,911

52

0,749

Koe 11

93

1,43

76

1,16

60

0,880

51

0,750 VTT Impulssi 35

KAAVAT 1– 4

S0 + 1.5 O2 + H2O → 2 H+ + SO42-

(1)

kemiallinen

(2)

2 Fe2+ + 0.5 O2 + 2 H+ → 2 Fe3+ + H2O

mikrobinen

(3)

2 Fe3+ + Cu0 ←→ 2 Fe2+ + Cu2+

kemiallinen

(4)

+

2+

Kuparin bioliuotus Alkuaineanalyysin mukaan komponenttilevyvaahto sisälsi yhä huomattavia kuparipitoisuuksia (153 g/kg). Käsittelyä ja metallin talteenottoa oli näin ollen syytä jatkaa. Menetelmäksi valittiin bioliuotus hapolla, koska sitä pidetään edullisena ja vain vähän haitallisia päästöjä tuottavana matalan teknologian menetelmänä. Tutkimuskirjallisuudessa on lisäksi esitetty lupaavia tuloksia piirilevyjen bioliuotuksesta (Liang et al. 2013; Liang et al. 2010; Xiang et al. 2010; Yang et al. 2009; Zhu et al. 2011), mutta suuren mittakaavan kokeita ja prosessisuunnittelua ei ole esitetty.

Happoa käyttävä bioliuotus perustuu auto­ trofisten bakteerien kuten Acidithiobacillus thiooxidans ja At. ferrooxidans toimintaan. Nämä bakteerit ovat tunnettuja kyvystään hapettaa pelkistettyjä rikkiyhdisteitä tai alkuainerikkiä rikkihapoksi; At. ferrooxidans ja Leptospirillum ferrooxidans kykyenevät lisäksi hapettamaan ferrorautaa ferriraudaksi (Sand et al. 2001; Watling, 2006). Vaikka sähkö- ja elektroniikkalaiteromu (WEEE) ja komponenttilevyt ovat auto­ trofisille pieneliöille hyvin epätavanomaisia materiaaleja, on niissä havaittu kaavoissa 1–4 esitettyä liuotuskemiaa (Liang et al. 2013; Xiang et al. 2010; Yang et al. 2009; Zhu et al. 2011).

Näiden kaavojen mukaan määritettiin yksinkertainen bioliuotusmenetelmä, joka perustuu pH:n, pelkistymispotentiaalin sekä liuenneiden Fe2+- ja Cu2+-pitoisuuksien mittaamiseen.

Koska komponenttilevyvaahdolla on taipumus tuottaa veden kanssa pH-arvoltaan neutraali ja melko voimakkaasti puskuroitu liuos, rikkiä hapettavien pieneliöiden menestyminen ja rikkihapon tuotanto (kaava 1) alentavat pHarvoa ja pitävät liuoksen happamena. Toisaalta, kun rautaa hapettavat pieneliöt menestyvät, ne hapettavat Fe2+-rautaa Fe3+-raudaksi (kaava 3), mistä seuraa jyrkkä pelkistymispotentiaalin kasvu ja Fe2+-pitoisuuden lasku.

Komponenttilevyvaahdon bioliuotuskokeissa edettiin bakteerien sopeuttamisesta alustaviin kokeisiin, minkä jälkeen liuotusparametrit optimoitiin ja lopulta suoritettiin koeajo pilot-mittakaavan bioreaktorilla. Useimpien kokeiden yhteydessä suoritettiin myös vertailukoe abioot36 VTT Impulssi

mikrobinen

Cu + H + O2 → Cu + H2O 0

tisella rikkihappoliuotuksella, jolla selvitettiin, paransivatko pieneliöt kuparin liuotusastetta.

Kokeissa käytetyt asidofiiliset bakteeriviljelmät hankittiin sulfidimalmikaivokselta (Halinen et al. 2009), ja ne sisälsivät lajeja At. ferrooxidans, At. thiooxidans/albertensis, At. caldus, L. ferrooxidans, Sb. thermosulfidooxidans, Sb. thermotolerans ja joitakin Alicyclobacillus-suvun lajeja.

Bakteeriviljelmän sopeuttaminen komponenttilevyvaahtoon ja tätä seuranneet alustavat bioliuotuskokeet suoritettiin muunnellun K9-väliaineen sekä 10 g/l S0-ja 4.5 g/l Fe2+ -pitoisuuksien kanssa. Epätavallisesta materiaalista johtuen vaahtoon lisättiin vahvaa rikkihappoa pH-arvon laskemiseksi kahteen, joka on optimaalinen arvo suurimmalle osalle bioliuotuksessa käytettävistä pieneliöistä (Rawlings, 2002). Kokeissa havaittiin, että pieneliöt pystyivät ylläpitämään tätä pH-arvoa tai jopa happamoittamaan näytettä edelleen samalla, kun ne kasvattivat nopeasti pelkistymispotentiaalia ja saivat Fe2+-pitoisuuden laskemaan voimakkaasti, mikä osoittaa sekä rikin että raudan hapettajien menestyneen vaahdossa. Saavutetut kuparipitoisuudet jäivät kuitenkin abioottisella rikkihappoliuotuksella saavutettuja pienemmiksi ja kinetiikka hitaammaksi. Suurin bakteerien sietämä komponenttilevyvaahdon kiintoainetiheys oli noin 50 g/l, mikä vastaa tutkimuskirjallisuudessa esitettyä (Liang et al.

2010; Xiang et al. 2010; Zhu et al. 2011).

Bioliuotusparametrit optimoitiin kuparin talteenottoprosentin ja liuotuskinetiikan parantamiseksi. Järjestelmään, jonka komponenttilevyvaahdon kiintoainetiheys oli 20 g/l ja joka sisälsi muunneltua K9-väliainetta sekä 10 g/l S0-pitoisuuksia, lisättiin Fe2+-rautaa 0, 4.5 ja 9.0 g/l -pitoisuuksina. Bioliuotuksen liuoksissa, joiden Fe2+-pitoisuudet olivat 0, 4.5 ja 9.0 g/l, saavutetut kuparipitoisuudet olivat 1.6 g/l, 2.2 g/l ja 2.6 g/l ja abioottisessa rikkihappoliuotuksessa 2.6 g/l. Kokeiden perusteella on selvää, että ferriraudalla on hyvin tärkeä rooli kuparin liukenemisnopeuden kannalta, ja bioliuotus voi olla abioottista rikkihappoliuotusta nopeampaa, kun prosessin pH-arvo on noin kaksi. Kuten

Kulta talteen liuottamalla ja biosorptiolla Komponenttilevyjen vaahdotusprosessin tuottama raskas jae sisältää korkeita jalometallipitoisuuksia, joille on olemassa hyvin dokumentoituja ja yleisesti käytettyjä talteenottoprosesseja.

Tällä hetkellä käytettävä kullan talteenottoprosessi edellyttää kalliin ja ympäristölle vaarallisen syanidin käyttöä. Suoritimme komponenttilevyjen metallien kestävän talteenottoprosessin täydentämiseksi kokeita biosorption ja syanidittoman liuottamisen avulla. Hiljattain on osoitettu, että tietyt biomassat kykenevät sitomaan raskasmetalleja joko solujen aktiivisten puolustusmekanismien tai negatiivisesti varautuneiden soluseinämärakenteiden ansiosta. Lupaavista tuloksista huolimatta perinteiset vapaaseen suspensioon perustuvat biosorptio-menetelmät eivät sovellu teolliseen käyttöön pääasiassa siksi, että biomassan erottaminen liuoksesta on vaikeaa. Tutkimuksen painopiste on näin ollen siirtynyt biomassan immobilisointiin erilaisilla matriiseilla (Das, 2010; Khoo & Ting, 2001).

Lähestyimme aihetta hyödyntämällä eräiden sienien kykyä tuottaa paksuja kapillaarisia verkkoja, jotka voivat saada biomassan immobilisoitumaan teolliseen käyttöön sopivaksi.

Immobilisoituneita P. chrysosporium -levyjä, joiden keskimääräinen paino oli 0,05 g ja läpimitta 5 cm, asetettiin suodatinpylväiden päälle, ja levyjen läpi valutettiin 20 ml vettä kahdelta eri kaivosalueelta (MW1 ja MW2, pitoisuudet esi-

kaavat 1 ja 3 osoittavat, Fe2+-raudan lisääminen lisää myös rikkihapon kulutusta. Prosessille tulee määritellä optimaaliset olosuhteet, joissa ferriraudan ja hapon toiminta tuottaisi parhaan lopputuloksen pienimmillä mahdollisilla kemikaalikustannuksilla.

Bioliuotusjärjestelmää optimoitiin penkkipilot-mittakaavan bioreaktorilla (kolmen litran CSTR-tyyppi). Ferriraudan ja rikkihapon tuotanto erotettiin komponenttilevyvaahdon käsittelystä viljelemällä pieneliöitä kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa suosittiin rikin hapettajia liuoksessa, joka sisälsi muunneltua K9-väliainetta sekä 2,5 g/l S0 ja 0,4 g/l Fe2+ -pitoisuudet, ja toisessa vaiheessa tuotettiin ferrirautaa lisäämällä 7,8 g/l Fe2+-rautaa. Uusi viljelymenetelmä tuotti liuotusliuoksen, jonka parametrit olivat pH 1,1, pelkistymispotentiaali +865 mV (SHE) ja 7,4 g/l Fe3+. Tällä liuoksella käsiteltiin komponenttilevyvaahtoa, jonka kiintoainetiheys oli 50 g/l, millä saavutettiin kuparin 99-prosenttinen liukeaminen kolmessa päivässä.

Varsinaisen liuotuksen aikana pH-arvo nousi 1,6:een, missä se säilytettiin lisäämällä vahvaa rikkihappoa. Bioliuotus osoittautui hyvin spesifiseksi kuparinliuotusmenetelmäksi, sillä liuoksen ainoat merkittävät metallialkuaineet olivat kupari ja rauta 6,8 g/l- ja 7,0 g/l -pitoisuuksilla.

Tämän valossa kuparin talteenotto kierrätysraaka-aineesta bioliuotuksen avulla on varsin helppoa ja taloudellista.

TAULUKKO 2.

Tutkittujen kaivosalueiden jätevesien (MW1 ja MW2) pitoisuudet (mg/l) ja pH-arvot

Cd

Cu

Mn

Ni

Zn

Fe

As

Sb

Se

SO4

pH

MW1

0,29

14

45

0,53

311

675

0,03

-

0,02

23550

2,3

MW2

0,001

0,05

1,1

0,03

0,4

1,0

0,85

0,06

0,02

6170

7,9

TAULUKKO 3.

Pitoisuudet (mg/l) käsitellyissä kaivosvesissä ja poistotehokkuus (RE %). MMER: Metal Mining Effluent Regulations for effluent discharge limits for metal mines (maximum authorized monthly mean concentration, mg/l) (Environment Canada, 2012)

Cd

Cu

Mn

Ni

Zn

Fe

As

Sb

Se

SO4

MW1

0,03

1,3

3,8

0,05

30

33

0,002

-

0,001

2050

RE %

91 %

91 %

92 %

91 %

90 %

95 %

94 %

-

94 %

91 %

MW2

-

0,004

0,09

0,002

0,04

0,13

0,07

0,005

0,002

672

RE %

-

91 %

92 %

92 %

91 %

86 %

92 %

92 %

91 %

89 %

0,5

0,5

MMER

0,3

0,5

VTT Impulssi 37

tetty taulukossa 2). Suodosten metalli- ja sulfaattipitoisuudet analysoitiin ICP-MS-spektrometrialla ja ICP-AES-spektroskopialla.

Taulukossa 3 on esitetty käsiteltyjen kaivosvesien pitoisuudet ja suodatuksen tehokkuus.

Immobilisoituneet P. chrysosporium -levyt adsorboivat 86-92 % kaivosvesien metalleista ja sulfaatista, riippumatta vesien lähtöpitoisuuksista tai pH:sta. Käsiteltyjen kaivosvesien vertailu metallikaivosten jätevesipäästörajat määritteleviin Metal Mining Effluent Regulations -asetuksiin (suurin sallittu keskimääräinen pitoisuus kuukaudessa, mg/l) (Environment Canada, 2012) osoittaa, että MW2-veden pitoisuudet ovat vaatimusten mukaisia, mutta MW1veden Cu- ja Zn-pitoisuudet eivät ole. Erittäin pahasti saastuneiden vesien käsittely vaatii siis jonkin verran esivalmisteluja (esim. kalkilla saostamista).

Biosorbenttien on todettu toimivan selektiivisesti kullan ja muiden jalometallien suhteen (Das, 2010). Näiden tulosten rohkaisemina asetimme immobilisoitunutta P. chrysosporium -sientä (biomassan kuivapaino 0,53 g) kangaspohjalla suodatinpylväiden päälle (d = 5 cm) ja valutimme 60 ml keinotekoista kloridi-hypokloriitti-kultaprosessiuutetta (koostumus esitetty taulukuossa 4) maton läpi. Suodosten alkuaine- ja sulfaattipitoisuudet analysoitiin ICP-MS -spektrometrialla ja ICP-AES-spektroskopialla.

Kuvassa 3 esitetään alkuaineiden suodatusprosentit, kun keinotekoista kloridi-hypokloriittiuutetta valutettiin immobilisoituneen P. chrysosporium -levyn läpi. Biomassan todettiin adsorboivan tehokkaasti kultaa mutta huonosti muita alkuaineita. P. chrysosporium -levyn kullanabsorptiokapasiteetti oli noin 32 mg biomassagrammaa kohti (0,16 mmol/g), mikä vastaa Dasin (2010) tarkastelemien biosorbenttien kapasiteetteja. Tässä biosorptiomenetelmässä ei kuitenkaan esiintynyt vapaasti kelluvien järjestelmien haittapuolia.

Kierrätysraaka-aineiden, kuten sähkö- ja elektroniikkajätteen, käyttö on metalliteollisuuden kestävyyden kannalta elintärkeää. Raakaaineiden käyttöä puoltavat lainsäädännölliset, poliittiset, ympäristönsuojelulliset ja taloudelliset seikat. Metallit ovat perinteisesti olleet kier-

TAULUKKO 4.

Art-Au 38 VTT Impulssi

rätysteollisuudelle hyvä tulonlähde niiden verraten yksinkertaisista talteenottoprosesseista ja korkeasta hinnasta johtuen. Perusmetallien kierrätysprosessit ovat vakiintuneet ja lähestyvät suljettua kiertoa. Esimerkiksi Outokummun tuottamasta ruostumattomasta teräksestä noin 80 % valmistetaan kierrätetyistä raaka-aineista.

Kulutushyödykkeiden kuten loisteaineiden, sähkölaitteiden, kosketusnäyttöjen, kestomagneettien ja lasipintojen sisältämille kriittisille metalleille ei kuitenkaan toistaiseksi ole löydetty sopivia kierrätysmenetelmiä.

Näitä kriittisiä metalleja ei yleensä voida korvata menettämättä laitteiden toimintakykyä.

Tästä on esimerkkinä neodyymi, jota ilman tietokoneiden kovalevyjen kestomagneetit eivät toimisi läheskään yhtä tehokkaasti kuin nykyään. Toinen esimerkki on europium, joka mahdollistaa punaisen värin näkymisen litteissä televisioissa ja loistevalaisimissa. Graedel et. al (2014) toteuttama pitkän aikavälin tutkimus osoittaa, että 62:ta laajalti käytettyä metallia tai puolimetallia ei voi korvata tavalla, joka täyttäisi niiden tärkeimpiä sovelluksia koskevat vaatimukset. Ongelma on kaksijakoinen: korkean teknologian tuotteiden raaka-ainetarjontaa ei voi taata ilman kunnollista kierrätysjärjestelmää, mutta tällainen kierrätysjärjestelmä ei toisaalta ole toteuttamiskelpoinen ilman parempaa tuote- ja prosessisuunnittelua sekä tehokkaampia keräysohjelmia. Ongelman ratkaisu edellyttää ekologisia innovaatioita kaikissa arvoketjun osissa sekä immateriaalioikeuksien hallinnoinnin kehittämistä, sillä yritykset yleensä suojaavat parhaan suorituskyvyn raaka-aineyhdistelmänsä.

Artikkelissa kuvattu prosessi soveltuu erityisen hyvin muovien erottamiseen käytöstä poistetuista tuotteista ja metallia sisältävistä välituotteista (kuten suoloista) pyro- tai hydrometallurgista jatkokäsittelyä varten. Menetelmät liuoksen puhdistamiseksi ja metallien erottamiseksi, kullan valikoiva erottaminen mukaan luettuna, soveltuvat kaikkiin nestemäisiin jakeisiin niiden lähteestä riippumatta. Ekstraktiivisessa metallurgiassa käytetään enenevässä määrin hydrometallurgisia erottelumenetelmiä, koska raaka-aineet ovat muuttumassa niukka-

Pitoisuudet (g/l) keinotekoisesti valmistetussa kloridi-hypokloriittiuutteessa.

Au

Al

Ni

Fe

Pb

Cu

Na

Cl

0,04

0,46

1,0

0,48

0,24

1,0

38

100

Au selectiviness 100% 80% Removal %

pitoisempaan ja monimutkaisempaan suuntaan, ja nämä menetelmät soveltuvat perinteisiä pyrometallurgian menetelmiä paremmin tällaisten raaka-aineiden käsittelyyn. Hydrometallurgiset menetelmät ovat lisäksi monella tapaa ympäristöystävällisempiä kuin pyrometallurgiset menetelmät: ne tuottavat esimerkiksi vähemmän kaasupäästöjä ja kuluttavat vähemmän energiaa.

Tässä artikkelissa esitelty bioliuotusmenetelmä osoittaa jatkuvatoimisten liuotusjärjestelmien mahdollisuudet sellaisten sivuvirtojen ja jätteiden käsittelyssä, jotka sisältävät arvokkaita metalleja verraten suurina jäännöspitoisuuksina. Biologiaa hyödyntämällä voidaan välttää voimakkaiden hapettavien aineiden lisäämisen tuottamat erittäin happamat liuokset, sillä arvottomasta mineraalijätteestä peräisin olevat pieneliöt voivat muodostaa tehokkaat liuotusolosuhteet. Koska tämäntyyppinen bioliuotusmenetelmä näyttäisi olevan erittäin tehokas nollavalenssin metallien käsittelyssä, se voi tarjota runsaasti erilaisia ratkaisuja käytöstä poistettujen tuotteiden käsittelyyn. n

60% 40% 20% 0%

20

30

40

50

60

Filtrated volume (ml) Gold

Kuva 3.

Avg. Of other elements

P. chrysosporium -sienen keinotekoisesta kloridi-hypokloriittiuutteesta suodattamat alkuaineet.

Lähteet European Commission, 2008: COM 699.

­Recovery. In: Chemical Processes for Sustainable

Graedel, T. E., Harper, E.M., Nassar, N.T. and Reck,

Future. Royal Society of Chemistry. In Press.

B.K. 2013. On the materials basis of modern society.

Sand, W., Gehrke, T., Jozsa, P-G., Schippers, A.,

PNAS: doi: 10.1073/pnas.1312752110

2001. (Bio)chemistry of bacterial leaching – direct vs.

Halinen, A-K., Rahunen, N., Kaksonen, A.H.,

indirect bioleaching. Hydrometallurgy, 59, 159–175

­Puhakka, J.A., 2009. Heap bioleaching of a complex­

UNEP, 2013. Metal Recycling: Opportunities, Limits,

sulfide ore Part I: Effect of pH on metal extraction

Infrastructure. A Report of the Working Group on the

and microbial composition in pH controlled columns.

Global Metal Flows to the International Resource Panel.

­Hydrometallurgy, 98, 92–100

Reuter, M. A.; Hudson, C.; van Schaik, A.; Heiskanen,

Liang, G., Mo, Y., Zhou, Q., 2010. Novel strategies of

K.; Meskers, C.; Hagelüken, C. ISBN: 978-92-807-3267-

­bioleaching metals from printed circuit boards (PCBs)

2 < http://www.unep.org/resourcepanel/Portals/24102/

in mixed cultivation of two acidophiles. Enzyme ­Microb.

PDFs/Metal_Recycling_Full_Report.pdf > (accessed

Technol. 47, 322-326

17.03.14)

Liang, G., Tang, J., Liu, W., Zhou, Q., 2013. Optimizing

Watling, H.R., 2006. The bioleaching of sulphide

mixed culture of two acidophiles to improve copper

­minerals with emphasis on copper sulphides – A review.

recovery from printed circuit boards (PCBs). J. Hazard.

Hydrometallurgy 84, 81–108

Mater. 250-251, 238-245

Xiang, Y., Wu, P., Zhu, N., Zhang, T., Liu, W., Wu, J.,

Luda, M.P., 2011. Recycling of Printed Circuit Boards,

Li, P., 2010. Bioleaching of copper from waste printed

in: Kumar, S. (Eds.), Integrated Waste Management II.

circuit boards by bacterial consortium enriched from

ISBN: 978-953-307-447-4. < http://www.intechopen.

acid mine drainage. J. Hazard. Mater. 184, 812–818

com/books/integrated-waste-management-­volume-ii/

Yang, T., Xu, Z., Wen, J., Yang, L., 2009. Factors

recycling-of-printed-circuit-boards > (accessed 17.03.14)

influencing bioleaching of copper from waste printed

Ogunniyi, I. and Vermaak, M. (2009). Investigation of

circuit boards by Acidithiobacillus ferrooxidans.

froth flotation for beneficiation of printed circuit board

­Hydrometallurgy, 97, 29–32

comminution fines. Miner Eng., vol. 22, p. 378–385

Zhu, N., Xiang, Y., Zhang, T., Wu, P., Dang, Z., Li,

Rawlings, D.E., 2002. Heavy Metal Mining Using

P., Wu, J., 2011. Bioleaching of metal concentrates

­Microbes. Annu. Rev. Microbiol. 56, 65–91.

of waste printed circuit boards by mixed culture of

Salminen, J., Virolainen, S., Kinnunen, P. and Salmi,

­acidophilic bacteria J. Hazard. Mater. 192, 614–619

O. (2014): Sustainable Mining, Metals Processing and

VTT Impulssi 39

Robotiikka

– monien

mahdollisuuksien

tekniikkaa Robotiikka tarjoaa suomalaiselle teollisuudelle yhden kilpailukyvyn avaintekniikoista.

Teksti Timo Salmi, Marketta Niemelä, Tapio Heikkilä

40 VTT Impulssi

R

tiede

obotiikkaan liittyy monenlaisia mie- vat 1960-luvun lopulla autoteollisuuteen, jonka likuvia, joista osa on hyvin mielikuvi- merkitys robottien soveltajana ja robottitekniituksellisia. Ovathan robotit olleet myös kan kehityksessä on edelleen suuri. Teollisuusmonien kirjojen ja elokuvien aiheena. robotiikassa perustekniikka vakiintui 1980Julkisuudessa on ollut paljon esillä niin sanotut luvun loppuun mennessä ja teollisuusroboteista humanoidirobotit, jotka ovat ihmistä ja ihmi- tuli teollisia standardituotteita. Sillä alalla kehisen toimintoja jäljitteleviä käveleviä robotteja. tys on ollut pienin askelin laajalla rintamalla Humanoidirobotteihin on panostettu erityi- tapahtuvaa asteittaista kehitystä. sesti Japanissa ja muun muassa sikäläiset autoPalvelurobotiikalla tarkoitetaan ei-teollista teollisuuden yritykset ovat esitelleet omia rat- robotiikkaa. Palvelurobotteja ovat esimerkiksi kaisujaan. Nämä laitteet ovat olleet lähinnä varastointi- ja jakelurobotit, lypsyrobotit sekä tutkimus- tai demonstraatiolaitteita, mutta esi- etäoperoidut kirurgirobotit ja vaikeiden olosuhtetyissä visioissa ne palvelevat ihmisiä jokapäi- teiden robotit kuten meren- ja avaruudentutkiväisessä arjessa. Robottitekniikalla nähdäänkin musrobotit. Oma ryhmänsä ovat kuluttajille ja paljon mahdollisuuksia tulevaisuudessa. Tämän erityisryhmille suunnatut henkilökohtaiset palpäivän ja lähitulevaisuuden arjen robottisovel- velurobotit avustavista robottiratkaisuista kotilukset ovat kuitenkin yksittäisiä kodin rutiini- talous- ja lelurobotteihin saakka. tehtäviä suorittavia robotteja, kuten pölynimuKuluttajamarkkinoilla odotukset ovat suuria. reita ja ikkunanpesijöitä.

Esimerkiksi IRF (2013) arvioi, että henkilökohPerinteisesti roboteilla tarkoitetaan tietoko- taisia talousrobotteja, kuten pölynimuri- ja ruoneohjattuja työkappaleita tai työvälineitä käsit- honleikkuurobotteja, myydään 24 miljoonaa televiä yleiskäyttöisiä laitetta. Yleiskäyttöisyy- kappaletta vuosina 2014–2017. Vertailukohtana dellä tarkoitetaan liikkeiden ohjelmoitavuutta toimii vuosien 2012 ja 2013 myynti, jolloin myyja mahdollisuutta käyttiin noin kaksi miljootää samaa laitetta useinaa robottia per vuosi. kuluttajamarkkinoilla siin käyttötarkoitukMarkkinoiden laajesiin. Robotin liikkeet nemista hidastaa kaksi odotukset ovat suuria. tuotetaan yleensä sähhaastetta. Robottihanköisten toimilaitteiden kintojen tulisi olla sekä avulla, mutta ne voivat olla myös pneumaatti- kustannustehokkaita että toimia luotettavasti sia tai hydraulisia. Nykyisin roboteiksi nimetään muuttuvissa ja ei-järjestäytyneissä ympärisfyysiseltä rakenteeltaan monenlaisia ohjelmalli- töissä. Teollisuudessa ympäristö pystytään helsesti liikkuvia laitteita, joihin usein liittyy ympä- pommin hallitsemaan kuin palvelurobotiikan ristön havainnointia ja sen mukaan toimimista toimintaympäristöt. Teollisuusrobotitkin kehit– on olemassa erilaisia liikkuvia robotteja kuten tyvät kuitenkin suuntaan, jossa ne työskenteleautomaattisesti ohjautuvia lennokkeja ja autoja. vät samassa tilassa ihmistyöntekijän kanssa.

Robottiautoissa auton ohjaus toimii usean eri Palvelurobotiikassa tiettyyn kapea-alaiseen toimilaitteen, anturoinnin, tietokoneen ja niitä tehtävään erikoistuneet robotit, kuten pölynhyödyntävän ohjelmiston avulla. imurirobotit, ovat tähän mennessä saavuttaneet Robotti-sanaa käytetään myös ohjelmis- parhaiten teknisen kypsyyden ja sitä myöten toista, jotka tekevät automaattisesti tiettyjä teh- myös kaupallista menestystä kuluttajamarkkitäviä, esimerkkinä osakkeiden robottikauppa tai noilla. hakurobotit. Tällöin ei kuitenkaan puhuta varsiTeknologian tutkimuskeskus VTT kehittää naisesta robottitekniikasta, sillä robotin määri- sekä teollisuusrobotiikan että erikoisrobotiikan, telmä sisältää fyysis-mekaanisen rakenteen. mutta myös palvelurobotiikan ratkaisuja yritysRobottitekniikassa yhdistyy monen eri teknii- ten ongelmiin. VTT selvittää myös palvelurobokan osa-alueen kehittyminen: tiikan mahdollisuuksia ja markkinoita vastauk• tietotekniikka: prosessoritekniikka, sena yhteiskunnallisiin haasteisiin kuten väestön tietokoneet ja ohjelmistotekniikka ikääntymiseen.

• toimilaitteet • anturitekniikka Teollisuusrobotiikka • mekaniikka, kuten laiterakenteet ja Teollisuusrobotiikan tutkimuksen sisältöön vaihteistot.

Suomessa ja sitä kautta myös VTT:llä on vaiRobottien soveltajina teollisuus on ollut edel- kuttanut Suomen teollisuuden rakenne. Suuri läkävijä. Ensimmäiset robottisovellukset tuli- osa teollisuusrobottien markkinoista on suurVTT Impulssi 41

ten vakiintuneiden kansainvälisten valmistajien hallinnassa. Suomessa ei ole perinteisten yleiskäyttöisten teollisuusrobottien valmistajia, vaan valmistajat ovat keskittyneet erityissovelluksiin, kuten raskaiden kappaleiden käsittelyyn tai raepuhallukseen. Muita robottialan toimijoita Suomessa ovat lähinnä robottisovellusten tekijät eli integraattorit ja robottien myyjät, jotka toimivat samalla usein integraattoreina, sekä soveltajat.

Robottien kehittämisessä ovat autoteollisuuden ja elektroniikkateollisuuden tarpeet ja lähtökohdat olleet suuressa roolissa. Nykyaikainen robotti on ominaisuuksiinsa nähden hyvin kustannustehokas järjestelmäkomponentti, johon voidaan liittää monenlaisia älykkyyttä lisääviä antureita ja ohjausjärjestelmiä. Valmiista järjestelmästä tai toimivasta sovelluksesta itse robotti on kuitenkin vain yksi osa, jonka osuus toimivan järjestelmän kustannuksista on koko ajan pienentynyt. Suomalaisessa tutkimuksessa onkin panostettu robottien sijaan kokonaisratkaisuihin ja edistyksellisiin sovelluksiin.

Suomalaisen teollisuuden kannalta robotiikan haasteena ovat pienet valmistussarjat ja jatkuvasti muuttuvat tuotteet. Piensarjatuotantoa ajatellen tehokkaan robotoinnin suurimpia haasteita ovat järjestelmän yksittäiseen tuotteeseen liittyvät investoinnit mukaan lukien ohjelmointi, uuden tuotteen ylösajaminen ja kyky sopeutua ympäristössä, prosessissa tai tuotteissa oleviin muutoksiin. Kyse on siis joustavuudesta ja adaptiivisuudesta. Tätä aihetta voidaan lähestyä monelta suunnalta: uusien ohjelmien teon automatisoinnista tai helpottamisesta, joustavista materiaalinkäsittelyn ja kiinnittämisen ratkaisuista, anturitiedon älykkäästä hyödyntämisestä, järjestelmäarkkitehtuurista jne. Tarvitaan innovatiivisia kokonaisratkaisuja ja ratkaisuja eri osa-alueisiin, sillä käytännön joustavuuden määrittelee kokonaisuuden heikoin lenkki. Tutkimusta on siten tehty joustavien järjestelmä-

turvallisuuden suunnittelusta tulee haasteellisempaa.

42 VTT Impulssi

ratkaisujen kehittämiseksi ja kokonaisvaltaisten sovellusten ratkaisemiseksi.

Toisekseen on paneuduttu yksittäisiin joustavuuden esteiden ratkaisemiseen monipuolista anturitietoa hyväksikäyttämällä. Tästä löytyy esimerkkejä, kuten voima-antureiden hyödyntäminen hionnassa ja kappaleiden poiminta konenäön avulla ja äärimmillään jopa täysin sekaisin olevien kappaleiden poiminta laatikoista, hionta-ohjelmien luominen mittausprofiilin avulla, ja robottiohjelmien generointi CADmallien avulla. Teollisuudesta löytyy useita esimerkkejä, joissa piensarjatuotantoa ja jopa yksittäistuotantoa tehdään lähes suursarjatuotannon tehokkuudella. Mahdollisuuksia on paljon, mutta ne tiedostetaan valitettavan huonosti.

Yksi tällä hetkellä kansainvälisesti ajankohtainen tutkimusaihe on ihmisen ja robotin välinen yhteistyö. Tavoitteena on hyödyntää ihmisen joustavuutta ja robotin kykyä tehdä toistuvaa työtä tarkasti tai hyödyntää robotin voimaa.

Siihen liittyy monia vaativia teknisiä ja turvallisuuteen liittyviä haasteita. Robottien tapauksessa riskeinä ovat törmäysvaara ja puristumisvaara. Perinteisesti ihmiset ja robotit on erotettu aidoin, mutta uuden turvatekniikan avulla aidoista voidaan luopua – turvallisuuden suunnittelusta tulee samalla haasteellisempaa. Pienet, keveät ja hitaasti liikkuvat niin sanotut turvalliset robotit ovat ratkaisu joihinkin sovelluksiin, mutta enemmän voimaa, nopeutta tai tarkkuutta vaativissa tilanteissa joudutaan turvautumaan monimutkaisempiin ratkaisuihin. VTT:n tutkimuksissa on kehitetty nykytekniikkaa hyödyntäen ratkaisuja, jotka mahdollistavat ihmisen ja robotin yhteistyön monenlaisissa tehtävissä, kuten esimerkiksi pakkaustehtävissä, raskaiden kappaleiden käsittelyssä tai robotin käyttäminen hitsausjiginä.

Palvelurobotiikka Palvelurobotteja käytetään teollisuuden ulkopuolella suorittamaan erilaisia tehtäviä tai palveluita ihmisten hyväksi – siitä nimitys. Palvelurobotit ovat liikkuvia ja mahdollisesti kappaleita käsitteleviä laitteita, jotka toimivat itsenäisesti ja vuorovaikuttavat ihmisten kanssa. Palvelurobottien sovelluksiin kuuluvat esimerkiksi maatalouden, siivouksen, rakentamisen ja lääketieteen (kirurgia, hoiva, kuntoutus) sovellukset sekä avaruus- ja vedenalaiset sovellukset. Palvelurobotiikkaa on kehitetty sekä ammattimaiseen asiantuntijakäyttöön että kuluttajille. Koska

palvelurobotit toimivat ihmisten kanssa samassa tilassa ja tiiviissäkin vuorovaikutussuhteessa, on palvelurobottien teknologioiden tuettava helppoa käytettävyyttä, sopeutumista ja toimintakykyä vaihtuvissa ja muuttuvissa ympäristöissä sekä erityisesti turvallisuutta.

Palvelurobottien turvallinen ja helppokäyttöinen vuorovaikutus perustuu suurelta osin antureihin, jotka tarkkailevat ympäristöä ja robottia.

Antureilla ohjataan robotin tarkkoja toimintoja, kuten rungon tai käsivarsien liikettä, sekä ylläpidetään turvallisuutta esimerkiksi keskeyttämällä robotin toiminto, kun ihminen havaitaan liian läheltä robottia tai sen työkalua.

Palvelurobotiikkaan voidaan lukea myös suomalaisen teollisuuden valmistamissa raskaissa työkoneissa, kuten kaivoskoneissa ja -laitteissa, olevat edistykselliset toiminnot. Esimerkiksi älykkäät työkoneet liikkuvat autonomisesti kaivostunneleissa ilman kuljettajaa ja niitä ohjataan valvomoista turvallisesti ja ergonomisesti.

Hoivarobotiikka Palvelurobotiikkaa kehitetään myös monenlaisiin hoiva-, avustus- ja kuntoutustehtäviin.

Käyttötarkoituksia on yksinkertaisista avustavista ratkaisuista aina terapeuttisiin ja vuorovaikutusta tukeviin sosiaalisiin robotteihin saakka.

Näissä sovelluksissa robottitekniikka ei välttämättä ole kovin kehittynyttä, vaan haasteet ovat vuorovaikutuksen ja tarkoituksenmukaisuuden suunnittelussa.

Ikääntyneille ja vammaisille on tarjolla arkea helpottavia robottilaitteita, kuten pyörätuoliin kiinnitettävä monikäyttöinen robottikäsi tai syöttökäsivarsi. Itsenäisen asumisen tueksi kehitetään ikäihmisen kuntoa monitoroivia ja kaatumisen tunnistavia robotteja, jotka tekevät hätätilanteessa hälytyksen ja avaavat videoyhteyden lääkäriin tai omaiseen. Palvelurobotteja voi olla käytössä hoitolaitoksissa, joissa kuntouttava robotti väsymättä avustaa ja ohjaa kuntoutujan kehon liikkeitä ja tarjoaa sopivan vastuksen kuntoutujan oman lihasvoiman vahvistamiseksi.

Robotiikka on löytänyt sovelluskohteita myös ei-fyysisessä kuntoutuksessa. Ihmistä muistuttavat humanoidit, kuten NAO, ja eläimenkaltaiset zoonoidit, kuten Paro-hyljerobotti, kykenevät herättämään positiivisia tunteita ja aktivoimaan vuorovaikutusta ihmisten välillä.

Paro-hylkeen on todettu vähentävän muistisairaiden levottomuutta ja lisäävän yhteisöllisyyden tunnetta vanhainkodissa. NAO-humanoi-

nykyaikainen robotti on hyvin kustannustehokas.

timo salmi Erikoistutkija Timo Salmi on työskennellyt 26 vuotta VTT:llä tutkijana aihealueinaan tuotantojärjestelmien suunnittelu, robotiikka, tuotantoautomaatio ja tuotantoprosessien kehittäminen.

Hän toimi muun muassa SISU 2010 – Uusi tuotantoajattelu -tutkimusohjelmassa useissa robotiikan aihealueen tutkimusprojekteissa projektipäällikkönä tai keskeisenä tutkija.

VTT Impulssi 43

robotiikka avaa mahdollisuuksia parempaan hoivaan.

dista ovat hyötyneet autistiset lapset, joiden on vaikea hahmottaa sosiaalisen vuorovaikutuksen tilanteita ja sääntöjä. NAOn kanssa vuorovaikutus on yksinkertaista ja samanlaisena toistuvaa, ja samalla tulee harjoitettua keinoja ihmisten väliseen kanssakäymiseen. NAOlle haetaan käyttökohteita myös ikäihmisten arjen virkistäjänä: pieni humanoidi on vetänyt liikuntahetkiä ja lukenut Aamulehteä ikääntyneille.

Väestön ikääntyminen on megatrendi. Robotiikka avaa mahdollisuuksia sekä parempaan hoivaan että hoivan uudelleen järjestämiseen.

Roboteista ei ole hoitajien korvaajiksi: robotit eivät toimi itsenäisesti, vaan hoivahenkilökunnan työkaluna ja välineenä. Kokeiluista on saatu hyviä kokemuksia, mutta pitkäaikaishyödyt tulisi tutkia systemaattisesti. Robottien terapeuttiseen käyttöön liittyy myös eettisiä kysymyksiä: Voiko robottiin kiintyä? Ymmärtääkö käyttäjä, että robotin esittämät tunteet eivät ole aitoja?

Euroopan unionin jäsenvaltioissa 2012 tehdyn asennekyselyn mukaan ihmiset suhtautuvat robotiikkaan positiivisesti, suomalaiset vielä positiivisemmin kuin eurooppalaiset keskimäärin. VTT on tutkinut ihmisten odotuksia robottia kohtaan asiakaspalvelussa. Robotit hyväksytään, koska ne auttavat ihmisiä. Mitä lähemmäs robotti astuu alueelle, jota pidetään ihmiselle kuuluvana – esimerkiksi hoiva mutta myös lämmin, henkilökohtainen ja huumorintajuinen 44 VTT Impulssi

asiakaspalvelutilanne – sen epäilevämpiä odotukset ovat. Robotin tapaamisen jälkeen kokemukset ovat olleet kuitenkin pääsääntöisesti positiivisia.

Yhteenveto Robottitekniikka on laaja alue, jossa tarvitaan monenlaista osaamista. Onnistuneet sovellukset syntyvät toimivien kokonaisuuksien rakentamisesta tarkoituksenmukaisella tavalla. Tämä edellyttää itse tekniikan tuntemisen lisäksi hyvää sovellusympäristön tuntemista. Lisäksi on hallittava robotiikan kehittämisen teknis-taloudelliset lainalaisuudet. Edes ylivertainen tekninen osaaminen ei riitä. Sovellusten tulee olla teknis-taloudellisessa mielessä kohteeseensa sopivia. VTT:llä on moniteknisenä laitoksena poikkeuksellisen laaja tekninen tausta robotiikan tutkimuksessa ja mahdollisuudet tarjota tukea monenlaisiin robotiikan haasteisiin tasapainoisella lähestymistavalla.

Robottitekniikkaan suhtaudutaan usein kaksijakoisesti. Sen pelätään vievän työpaikkoja. Kuitenkin on tunnettua, että teollisuus joutuu toimimaan kovan kansainvälisen kilpailun olosuhteissa ja korkeiden kustannusten maissa asiat täytyy tehdä tehokkaammin, fiksummin ja paremmin.

Työn tuottavuus täytyy olla kilpailukyvyn tasolla.

Sen saavuttamiseksi on syytä käyttää kaikkia tekniikan tuomia mahdollisuuksia mukaan lukien robottitekniikkaa. Teollisuus on kansantalouden moottori, joka tuo kansantalouden kiertokulkuun varoja. Aivan pieniä maita lukuun ottamatta ei ole olemassa esimerkkejä ilman teollisuutta menestyvistä kansantalouksista. Siksi on olennaisen tärkeää kaikella tavalla huolehtia teollisuuden kansainvälisestä kilpailukyvystä. Robotiikka on perustellusti yksi avaintekniikoista suomalaisen teollisuuden kilpailukyvyn mahdollistamisessa.

Uuden tekniikan hyödyntämisessä on paljon hyödyntämätöntä potentiaalia sekä teollisuudessa että teollisuuden ulkopuolella. Tulevaisuudessa robotiikka parantaa ikääntyneiden ja vammaisten elämänlaatua ja helpottaa arkielämää. Ihmisen ja robotin välisen vuorovaikutuksen tutkimuksella ja suunnittelulla VTT voi varmistaa turvalliset, käytettävät ja eettiset robotiikan sovellukset. n

technology Minikokoisia mittalaitteita

Fuusioreaktorin huolto etänä onnistui iter -fuusioreaktorin teknologialta edellytetään paljon, sillä sen avulla halli-

taan sadassa miljoonassa celsiusasteessa palavaa fuusioplasmaa. VTT on saavuttanut ITER-fuusioreaktorin etäohjauksen kehitystyössä merkittävän tavoitteen. Fuusioreaktorin epäpuhtauksia keräävä divertori-kasetti onnistuttiin vaihtamaan reaktorin etähuollon tutkimus­ympäristössä ensimmäistä kertaa etäohjattuna. Operaatio on vaativimpia toimenpiteitä tulevassa ITER-fuusioreaktorissa, jonka rakennustyöt etenevät Etelä-Ranskan Cadarachessa vauhdikkaasti.

ITERin reaktori­kammion alaosassa sijaitsee muutaman millimetrin tarkkuudella käsiteltävän reaktorikomponentin eli divertorin 54 kasettia, joista kukin on kooltaan 3,4 m x 2,3 m x 0,6 m ja painaa noin 10 tonnia.

Divertori-kasetti on ikään kuin valtava tuhkakuppi, johon kuuma tuhka ja epäpuhtaudet laskeutuvat.

Divertori-kasetin vaihtoa varten VTT:n tutkimustiloissa Tampereella sijaitseva ’Divertor Test Platform’ eli DTP2-tutkimusympäristö oli pimennetty ITERissä vallitsevia olosuhteita vastaaviksi ja koko operaatio suoritettiin valvomosta virtuaalimallien ja kameranäkymän avustamana.

ITER-reaktorin huollossa etäoperoinnilla ja virtuaalitekniikoilla on keskeinen sija, ja niillä on laajat sovellusmahdollisuudet teollisuudessa. Vastaavaa teknologiaa hyödynnetään muun muassa avaruuslennoilla sekä vedenalaisissa ja maanalaisissa tehtävissä. Järjestelmässä yhdistyvät robotiikka, kehittyneet teknologiset työkalut, tehokkaat tietokoneet ja virtuaalisen todellisuuden alustat.

VTT on kehittänyt kustannustehokasta ja korkealuokkaista teknologiaa, joka mahdollistaa verisuonten sisäisten laitteiden kehitystyön.

INCITE-projektissa tutkitaan suonen sisäisen katetrin miniatyrisointia ja rakennetaan katetrin prototyyppi, joka perustuu MEMSteknologiaan (Micro Electro Mechanical Systems). Katetrin tulee olla niin pieni, että se voidaan työntää verisuonen sisälle.

54

divertori-kasettia asennettiin fuusioreaktorin etäoperoinnissa.

Hybridimateriaalista ohutkalvoja elintarvikepakkauksiin VTT:n erikoistutkija Juha Nikkola kehitti väitöstyössään uusia hybridimateriaaleja, joita voidaan käyttää ohutkalvo­ komposiittien pintakerrosten valmistus- ja muokkausmenetelminä. Tuloksena löydettiin uusia materiaaleja, jotka soveltuvat muun muassa tuotteen säilyvyyttä parantaviin elintarvikepakkauksiin ja veden puhdistuksessa käytettäviin suodatinkalvoihin. Tulevaisuudessa vastaavia materiaaleja voidaan soveltaa myös taipuviin OLED-näyttöihin sekä seinä- ja kattopaneeleihin.

46 VTT Impulse

Nanofotonisia anturipiirejä massatuotantoon eurooppalainen yhteenliittymä PHOTOSENS on kehittänyt poly-

Kuvat: Noora Salminen

teknologia

meeripohjaista, nanofotonista anturipiiriä, jonka käyttötarkoituksia ovat ilmanlaadun, lääketeollisuuden prosessien puhtauden ja elintarviketurvallisuuden valvominen. Kehitystyön kohteeksi valittiin kertakäyttöinen, massatuotantona valmistettava anturipiiri, jolla voidaan mitata useiden aineiden pitoisuuksia samanaikaisesti.

Yhdistämällä nanofotoniikan, räätälöidyt polymeerimateriaalit ja massavalmistuksen hanke haastaa perinteiset analyysitekniikat, jotka yleensä edellyttävät kalliita laitteistoja ja paljon henkilökuntaa.

PHOTOSENS-yhteenliittymässä VTT keskittyi polymeeripohjaisten nanofotonisten rakenteiden valmistukseen käyttäen UV-nanopainatusta sekä moniparametrianturin integrointiin.

Kuvassa alla on painetun optisen anturin lukulaite. Lue aiheesta lisää sivulta 48.

VTT Impulssi 47

teknologia

Avainsanat Kyberturvallisuus, tietoturva, Cyber War Room, KYBER-TEO-hanke Avainhenkilöt Veikko Rouhiainen, Reijo Savola, Pasi Ahonen Avainviesti VTT tekee yhteistyössä yritysten ja organisaatioiden kanssa strategista kyber- ja tietoturvallisuuteen liittyyvää tutkimus- ja kehitystyötä.

VTT:n kontakti Veikko Rouhiainen, Reijo Savola, Pasi Ahonen Lisätietoja www.vtt.fi

Kyberturvallisuuden puolesta

monella rintamalla VTT tekee laajaa ja monipuolista kyberja tietoturvallisuuteen liittyvää tutkimus- ja kehitystyötä. KYBERTEO–hankekokonaisuus palvelee erityisesti teollisuuden tarpeita.

Teksti Matti Välimäki Kuvat iStockphoto

48 VTT Impulssi

Strategista tutkimusta ja toimeksiantoja Kyber- ja tietoturvallisuuden ero on hämärtymässä, ja nykyään näitä kahta termiä on alettu käyttää synonyymeinä. Periaatteessa kyber­ turvallisuus on tietoturvallisuuden alalaji, jossa pyritään erityisesti yhteiskunnalle kriittisten toimintojen turvallisuuteen. Terminologia on kuitenkin muuttumassa kovaa tahtia, eikä yksiselitteisiä määritelmiä ole muodostettu.

VTT tekee yhteistyössä yritysten ja organisaatioiden kanssa strategista kyber- ja tietoturvallisuuteen liittyvää tutkimus- ja kehitystyötä – ja paljon myös erilaisia toimeksiantotutkimuksia.

VTT:n kyberturvallisuuden johtava tutkija Reijo Savola kertoo, että tavallisia ovat esimerkiksi erilaiset tietoturva-analyysit, arvioinnit ja testaukset. VTT tekee myös esimerkiksi riskianalyyseja sekä arvioi niiden pohjalta järjestelmä­arkkitehtuureja ja niiden toteutusta.

VTT tunnetaan maailmallakin tietoturva­ mittareihin liittyvästä tutkimuksestaan.

– Tietoturvamittareissa keskeisenä ideana on luoda tietoturvasta mahdollisimman hyvä tilanne­kuva, mikä auttaa päätöksentekoa organisaation eri portaissa. Strategiselle, operatiiviselle ja tekniselle tasolle annetaan niiden tarvitsemat tiedot juuri niiden käyttämällä kielellä.

Mittareilla voidaan raportoida vaikkapa yrityksen johtoryhmälle sen tarvitsemat tietoturva­ tiedot helposti avautuvassa visuaalisessa muodossa. Riskianalyysissä esiin nousseita keskeisiä asioita saatetaan kuvata esimerkiksi liikenne­ valovisualisoinnin avulla.

– Ideana on myös huolehtia tarpeellisen tiedon kulkemisesta mukana riskianalyysin ja siihen nivoutuvan tuote- tai palvelukehityksen eri vaiheissa.

Mittareihin liittyy osittain myös toinen VTT:n keihäänkärkialue: adaptiivinen eli mukautuva tietoturva.

– Mikäli vaikkapa jotakin lääketieteen alueen mittarointijärjestelmää käytetään sekä sairaalaympäristössä että kotona, niin on järkevää, että järjestelmään tunnistautuminen mukautuu tilannekohtaisesti. Käytännössä suljetussa sairaalaympäristössä tai vaikkapa ambulanssissa järjestelmää pääsee tällöin käyttämään helpommin, mutta muualla pääsynvalvonta on tiukempaa. Ei ole järkevää vaatia liikaa tietoja, jos se ei ole oikeasti tarpeen.

Savola huomauttaa, että mukautuminen tekee järjestelmän kevyemmäksi ja helppokäyttöisemmäksi.

–Tällaisten mukautuvien järjestelmien rooli korostuu myös koko ajan, kun IoT, Internet of Things yleistyy. Erityyppiset arkemme laitteet ovat koko ajan toisiinsa yhteyksissä, vaihtavat tietoja keskenään ja liikkuvat paikasta toiseen.

Cyber War Roomissa käytössä koko arsenaali Reijo Savola on erityisen ylpeä myös VTT:n uudesta Cyber War Roomista – muusta maailmasta eristetystä pienoisinternetistä, missä voidaan tehdä erilaisia testi­ hyökkäyksiä. Hän VTT Impulssi 49

teknologia

K

yber- ja tietoturvallisuuteen pätee sama perusperiaate kuin kaikkeen turvallisuusajatteluun, muistuttaa VTT:n tutkimusprofessori Veikko Rouhianen. Hän työskentelee VTT:llä riskien hallinnan ja turvallisuuden parissa.

– Hyvin pitkälle pääsee jo terveellä järjen käytöllä, ymmärtämällä riskit ja käyttäytymällä niiden mukaan. Mikään järjestelmä ei auta, jos sitä ei käytä. Tietoturvallisuus ei kuulu pelkästään yrityksen ICT-henkilöstölle, vaan jokaisen pitää huomioida se arkisessa toiminnassaan.

Rakennustyömailla on jo itsestäänselvyys, että kaikki käyttävät kypärää. Samalla tavalla pitäisi olla itsestään selvää, että vaikkapa sähköpostilla ei lähetä turvallisuusherkkää tietoa.

– Vähimmäisvaatimus on suojattu sähköpostiyhteys. Vanha kunnon paperi on myös yllättävän hyvä vaihtoehto.

Lisäksi pitäisi tiedostaa muun muassa se, mikä tieto on turvallisuusherkkää ja mikä ei.

Asiaa monimutkaistaa se, että kun viattomalta tuntuvia tiedonpalasia yhdistellään, lopputulos voikin kertoa liikaa.

– Tässä on selvä asenteiden tarkistamisen paikka. Ihmiset paljastavat esimerkiksi sosiaalisessa mediassa asioita, jotka kannattaisi jättää kertomatta.

– Kun tietoturvallisuuteen liittyvä perusajattelu on kunnossa, on hyvä lähteä kehittämään järjestelmiä myös muilta osin, Rouhiainen korostaa.

”arkemme laitteet ovat koko ajan yhteyksissä toisiinsa.” arvioi, että hyökkäysosaaminen on jatkossa tärkeä kyky kyberturvallisuuden ammattilaisille, jotta rikollisia vastaan pystytään puolustautumaan parhaalla mahdollisella asiantuntemuksella.

– Jo lainsäädäntö kieltää tekemästä tällaisia kyberhyökkäyksiä avoimessa internetissä, mistä erilaiset haittaohjelmat voivat levitä. Cyber War Roomissa meidän ei tarvitse olla simulaatioiden varassa, vaan voimme käyttää vapaasti koko hyökkäyspalettia ja testata erilaisten järjestelmien puolustautumiskyvykkyyttä. Tämä tulee palvelemaan niin asiakasyrityksiämme kuin strategista tutkimustamme.

VTT toimii myös Finnish Information Security Clusterissa (FISC, www.fisc.fi), jossa on mukana tietoturvaratkaisuihin erikoistuneita yrityksiä.

– Tällä hetkellä suuretkin suomalaiset tieto­ turvatoimijat ovat globaalisti katsoen pieniä. Suomessa on kuitenkin hyvin paljon alan osaamista. FISC-verkostossa on ideana tiivistää yhteistyötä ja päästä yhdessä käsiksi entistä isompiin projekteihin ja haasteisiin sekä miettiä kehityssuuntia strategisella tasolla.

Ja tieto- tai kyberturvallisuudesta kun puhutaan, niin työ ei tule tietenkään koskaan valmiiksi. Tekniikka ja siihen liittyvät uhat kehittyvät koko ajan. Joku kehittää jatkuvasti uusia tapoja murtautua järjestelmiin.

– Kamppailussa on tietty epäsuhta. Joudumme koko ajan varautumaan kaikkiin mahdollisiin uhkakuviin; olemaan suhteellisen hyviä kaikessa. Rikolliset voivat puolestaan keskittyä kehittämään vain yhtä haluamaansa kyber­asetta kerrallaan, heidän ei tarvitse varustautua laajalla rintamalla, Savola kuvailee.

Teollisuuden kyberturvallisuuden kehittämistä VTT on tehnyt useita vuosia töitä teollisuuden kyberturvallisuuden kehittämiseksi lukuisissa eri hankkeissa.

Erikoistutkija Pasi Ahonen mainitsee yhtenä teollisuudelle suunnattujen hankkeiden saavu50 VTT Impulse

tuksena vaatimuskannan, joka tukee automaatio­ järjestelmätoimittajien tietotur vallisuuden hallintaa. Sitä soveltamalla teollisuusyritys saa eri järjestelmätoimittajat, laitteet ja ratkaisut toimimaan oman tietoturvakonseptinsa mukaisesti.

VTT on tuottanut myös esimerkiksi tehtaan tietoturvaohjeet eli perussäännöt siitä, mitä jokaisen, niin tehtaan siivoojan kuin automaatioinsinöörinkin, täytyy tietää tietoturvallisuudesta.

Parhaillaan Ahonen vetää kolmivuotista KYBERTEO-hankekokonaisuutta (2014–2016), jonka tavoitteena on kyberturvallisuuden palvelujen kehittäminen ja tietoturvaratkaisujen ja käytäntöjen jalkauttaminen teollisuuteen. Hankekokonaisuuden päärahoittaja on Huoltovarmuuskeskus.

– Ideana on kehittää ja testata osallistuvissa yrityksissä kyberturvallisuuden palveluja tuotannon ja jatkuvuuden varmistamiseksi. Kahdenkeskisissä caseissa salassa pidettävät tulokset paljastetaan luonnollisesti vain kyseiselle organisaatiolle. Mutta samalla syntyy kuitenkin myös yleistä tietoa, jota voidaan jakaa kaikkien hyödynnettäväksi, myös hankkeen ulkopuolelle. n

kokemukset jakoon kyber-teo on kuuluu kolme eri työpakettia:

kybersuojauksen käytännöt ja kartoitukset, kyberturvallisuuden jalkauttaminen kotimaiseen tuotantoon sekä tuotantoautomaatioverkon monitorointipalvelut.

– Tarjoamme myös foorumin tiedonvaihdolle ja vertaistuelle. Yritykset voivat esimerkiksi vertailla, mikä toimii ja mikä ei, kertoo erikoistutkija Pasi Ahonen.

Kyberturvallisuuden kehittämisessä yhtenä ongelmana on, että vaikkapa virusten aiheuttamista tuotantokatkoksista ei juuri julkisuudessa kerrota.

– On tärkeää kehittää suljetumpaa tiedonvälitystä aiheesta, jotta tiedetään esimerkiksi liikkeellä olevista hyökkäyksistä. Näin myös varautuminen uhkiin onnistuu paremmin.

KYBER-TEO-hankekokonaisuudessa ovat asiakkaina Huoltovarmuuskeskuksen lisäksi muun muassa Metso Automation, Neste Oil, Outotec, Turun seudun puhdistamo sekä palveluyrityksistä Nixu, nSense, Prosys ja Nordic LAN & WAN Communication Oy. – Mukaan mahtuu vielä uusia yrityksiä, sillä hankkeen ensimmäistä vuotta vasta mennään, Pasi Ahonen vinkkaa.

teknologia

Avainsanat Photosens, painettu elektroniikka, massavalmistus Avainhenkilöt Pentti Karioja, Jussi Hiltunen Avainviesti Painetun älyn sovellus- ja markkinamahdollisuudet ovat vasta avautumassa.

VTT:n kontakti pentti.karioja@vtt.fi, jussi.hiltunen@vtt.fi Lisätietoja www.vtt.fi

Kuvassa rullalta rullalle -valmistettuja kullattuja ja kultaamattomia anturisiruja eri formaateissa.

52 VTT Impulssi

sensori Painettu elektroniikka ja siihen lisätty äly kätkee sisäänsä valtavasti eri sovelluskohteita ja markkinamahdollisuuksia.

Teksti Riitta Niskanen Kuvat Noora Salminen

V

TT:n johdolla on kansainvälinen Photosens-tutkimusprojekti kehittänyt anturiratkaisun, jossa muoville painetut sensorit mittaavat yhden tai useamman halutun aineen pitoisuuksia. Uuden teknologian käyttömahdollisuudet ovat huikeat ja siihen perustuvien sovellusten markkinat vasta avautumassa.

Tutkimusprojektin koordinaattori, tutkimusprofessori Pentti Karioja Oulun VTT:ltä esittelee rullaa, jossa on tukevaa, pieniruutuista muovikalvoa. Rulla sisältää polymeeripohjalle painettuja nanofotonisia anturipiirejä.

– Kehitimme nimenomaan massavalmistustekniikkaa, jolloin antureita voidaan tehdä suuria määriä. Halusimme helposti käsiteltävän, valmistajalle ja kuluttajalle halvan anturirat­ kaisun, hän selvittää.

Sensorialusta on siis valmis, mutta se ei vielä riitä. Oulun VTT:llä tutkijana toimiva Jussi Hiltunen näyttää pientä, metallista lukulaitetta, joka on prototyyppi. Hän laittaa lukulaitteen sisälle anturin ja laitteessa oleva kameratekniikka lukee sen keräämät tiedot.

– Tavoitteena on pidemmällä aikavälillä kehittää laitetta kuluttajakäyttöön, hän toteaa.

Helppokäyttöinen massatuote VTT:n johtama kolmivuotinen ja EU-rahoitteinen Photosens-tutkimusprojekti päättyi viime tammikuussa.

– Oulun VTT koordinoi hankkeen, keräsi kansainvälisen konsortion siihen ja näytti suunnan, mihin tutkimuksessa kannatti mennä, Pentti Karioja tarkentaa.

– Meillä oli muodostunut näkemys siitä, mitä palasia tarvitaan sekä kansallisesti että Euroopan tasolla, Jussi Hiltunen jatkaa.

Tutkimusprojektin tavoitteeksi määriteltiin kertakäyttöinen ja massatuotantona valmistettava anturipiiri, jolla voidaan mitata useiden aineiden pitoisuuksia yhtä aikaa. Keskeinen vaatimus oli, että anturipiiri tekee seulontatestit ilman erikoislaitteistoa ja erikoisosaamista.

Päämäärän saavuttamiseksi VTT antoi oman panostuksensa polymeeripohjaisten nanofotonisten rakenteiden valmistukseen käyttäen UVnanopainatusta sekä vastaten moniparametrianturin integroinnista.

– Meidän osuutemme oli tehdä painettua elektroniikka ja siihen lisättyä älyä optisella mittaustekniikalla terästettynä, Pentti Karioja kiteyttää.

VTT Impulssi 53

teknologia

Tulevaisuuden

Tunnistettavia aineita yksi tai useampi Anturiratkaisu on toimintaperiaatteeltaan yksinkertainen. Sensorialusta mittaa ympäristöstä tai teollisuudessa prosessivalvonnasta eri kemikaaleja. Kun pintaan tarttuu vieraita aineita, ne pystytään havainnoimaan ja analysoimaan.

Projektissa käytettiin muutamaa esimerkkiä, joilla sensorialustan toimivuutta demonstroitiin.

– Toinen oli lääkeprosessi eli mittasimme lääkejäämiä. Toinen tapaus liittyi Kiinan maitoskandaaliin. Kehittämämme anturirakenenne herkistettiin melamiinin havannointiin, Hiltunen kertoo.

– Keskeinen osa innovaatiota on mahdollisuus yksilöidä mihin anturin pinta reagoi, eli voimme tarkoituksella hakea tiettyjä aineita. Yleisesti sanoen: voimme hakea mitä vaan. Mahdollisuuksia on miljoonia, joten yleensä määritellään tarkasti tietty kemikaali, jonka olemisen tai ei-olemisen anturi kertoo, hän jatkaa.

Anturi voi tunnistaa yhtä aikaa myös monta ainetta, ei vain yhtä. Kaikkien haitallisten aineiden mittaus ja tieto niistä saadaan helposti samassa näytteessä.

Näyte voi myös tulla eri lähteistä, mutta aineen tunnistavan anturin rakenne on aina sama.

”ensin ammattikäyttö, sitten kuluttajat.”

Anturissa hyödynnetään sekä SERS (Surface Enhanced Roman Scattering) -menetelmää että fotonikiteitä.

54 VTT Impulse

Ensin ammattikäyttöön, sitten kuluttajille Painetun elektroniikan käyttömahdollisuudet ovat valtavat. Sen avulla on mahdollista valvoa muun muassa ilmanlaatua, lääketeollisuuden prosessien puhtautta ja elintarviketurvallisuutta.

– Itselläni on haave, että vanhana minulla on mikron vieressä kone, jolla tehtävillä mittauksilla varmistan kaiken olevan kunnossa. Eli tulevaisuudessa tämäntapaiset mittaukset ovat kaikkien ihmisten käytettävissä. Niillä toimintaamme voidaan seurata ja tehdä ratkaisuja esimerkiksi lääkityksen ja elintoimintojen suhteen, Karioja kuvailee.

Elintarvikkeissa voidaan varmistaa, että niissä ei ole ylimääräisiä, haitallisia aineita.

Huoneilmassa sensoria heiluttelemalla voidaan tarkistaa, osoittautuivatko epäilyt homeitiöistä todeksi vai ei.

Terveyden valvonnassa voidaan päivittäiset näytteet ottaa helposti ja edullisesti, välittää lääkärille tietokoneen avulla ja seurata näin, mihin suuntaan terveydentilasta kertovat indikaattorit ovat menossa.

Tässä on vain muutama esimerkki innovaation mahdollisista sovelluksista. Lähtölaukaus on kuitenkin jo ammuttu.

– Jatkossa ketju etenee näin: ensin ammattikäyttö, sitten vasta kuluttajat. Ensimmäiset käyttäjät voivat olla esimerkiksi lähikaupat ja ravintolat, koska lukulaitteen hinta riippuu siitä, kuinka paljon niitä tarvitaan. Sitten vasta tavalliset kuluttajat, Pentti Karioja hahmottelee.

Sensorialusta on valmis. Mittausmenetelmät ovat valmiit. Näytteiden analysointiin kehitetty lukulaite on lopullista hiomista vaille valmis.

– Meillä on toimiva teknologia. Nyt pitää enää löytää maailmalta yritykset, jotka ovat valmiita hyödyntämään tutkimustulokset ja käyttämään niitä omassa toiminnassaan, Karioja kiteyttää.

Nanocomp mukana tutkimuspartnerina Uuden innovaation kaupallistamisessa on pisimmällä joensuulainen nano-optiikan valmistuksen alalla toimiva Nanocomp Oy. Photosens-tutkimusprojektissa yritys oli mukana VTT:n partnerina ja ratkaisevassa asemassa kehitettäessä anturien massavalmistus­ tekniikkaa.

– Roolimme oli tutkia rullalta rullalle -tekniikkaa, eli miten tehdä isovolyymisesti nanofoto­ niikan roll-on-roll-massavalmistusta, kertoo Nanocompin teknologiajohtaja Samuli Siitonen.

Anturi pystyy tunnistamaan useampia aineita kerralla. Kuvassa yksittäinen 2x7-siru.

Nanofotoniikan massavalmistustekniikassa on periaatteessa kolme tasoa. Perinteisellä litografiamenetelmällä on valmistettu antureita jo pitkään.

Oulun VTT tutki erityisesti sheetlevel-teknologiaa eli arkkivalmistusta. Nanocomp keskittyi rullalta rullalle -valmistustasoon.

– Pyrimme löytämään edullisen ja nopean tavan valmistaa nanofotoniikkaan perustuvia anturipiirejä myös tekniikan ja laitteiden osalta.

Tavoitteemme on päästä komponenttihinnoissa kertakäyttötoimintamoodiin, josta on tässä anturi­rakenteen herkässä mittausmenetelmässä kysekin, Siitonen selvittää.

Jokamiehelle soveltuvassa kertakäyttömentelmässä näytteen ja anturipintojen käyttäjän ei tarvitse tehdä monimutkaisia toimenpiteitä. Anturin voi käytön jälkeen pistää muovikierrätykseen tai polttaa.

– Tutkimusprojektissa puhutaan kuitenkin hyvin haastavista detektointityypeistä. Helppokäyttöisyys on tulevaisuuden haaste ja koko ajan mielessä, Siitonen sanoo.

Nanofotoniikkaan perustuvien anturipiirien painamiseen ei sovellu mikä tahansa painokone.

– Nanocomp on työskennellyt vuosia nano­ luokan pintarakenteiden massavalmistuksen parissa. Siksi meillä on ollut hyvä lähtökohta kehittää anturipintojenkin painamista. Meillä on laitteet optisten painokomponenttien eli fotoniikka­ komponenttien painamiselle ja myös laitteita jatkoprosessointiin, Samuli Siitonen kertoo.

Lähivuosina markkinoille Vaikka Nanocomp on pitkällä photosens-tekniikassa, eivät anturirakenteet ole vielä yrityksessä varsinaisessa tuotannossa.

– Kysymys on pitkälti tutkimuksesta, joka tähtää tulevaisuuden tuotteisiin. Tämä edellyttää pitkiä kehityskaaria, Samuli Siitonen täsmentää.

Ala on kuitenkin teknologiajohtajan mielestä erittäin innostava ja odotukset kovat.

– Anturiteknologia rullalta rullalle on hyvin nouseva ja kiinnostava toiminta-alue. Pääsemme eturintamassa paneutumaan asioihin. Olemme valmiita sinä päivänä kun kaikki tukitoiminnot markkinoille menemiseen ovat riittävän kypsät, hän iloitsee.

Esimerkiksi edullinen ja helppokäyttöinen lukijalaite pitää Siitosen mukaan olla markkinoilla ennen kuin kukaan haluaa ostaa antureita.

Kemialliset funktionalisoinnit, jotka mahdollistavat tiettyjen aineiden tutkimisen, pitää olla niin ikään valmiit.

– Kyse ei ole vain yhden yksittäisen teknologian esilletulosta vaan monen summasta. Markkinoille meneminen tapahtuu, kun kaikki haarat ovat kypsät. Nyt on jo valmius tehdä tietynlaisia antureita, mutta valmista hyllytavaraa ei ole vielä.

Samuli Siitonen uskoo noin viiden vuoden aikavälillä tapahtuvan konkreettisia askelia uuden innovaation hyödyntämisessä. Moni nyt meneillään oleva asia tukee vahvasti tätä arviota. n VTT Impulse 55

teknologia

Avainsanat Australia, suomalaisyritykset, kauppasuhteet, kv-yhteistyö Avainhenkilöt Gerald Thomson Avainviesti Edustus Australiassa luo Pohjoismaille hyvän aseman kauppasuhteiden rakentamiseen Aasiassa.

VTT:n kontakti john.kettle@vtt.fi Lisätietoja www.vtt.fi

Mitä kuuluu

australiaan?

Aasian nopea muodonmuutos tarjoaa mahdollisuuksia Australiassa toimiville suomalaisille, sanoo suurlähettiläs Gerald Thomson.

Teksti Paula Bergqvist Kuvat Esa Tanskanen ja iStockphoto

S

uurlähettiläs Gerald Thomson, jonka asemapaikka on Australian Tukholman-suur­ lähetystö, vieraili VTT:llä elokuussa 2014.

Hän näkee Australian ja Suomen välisessä liike­toiminnassa sekä tutkimus- ja kehitys­ yhteistyössä paljon kehityspotentiaalia.

Noin 50 suomalaisella yrityksellä on konttori Australiassa, ja lukuisilla muilla on maassa myyntiedustus.

– Näihin yhtiöihin kuuluvat muun muassa Kone­ cranes, Fiskars ja Marimekko. Suurlähettiläs nostaa erityisesti kaksi yritystä esille – Metso ja Outotec kuuluvat Australian suurimpiin kaivoskaluston toimittajiin.

Kuusi ulkomaista yritystä toimittaa arviolta 60 prosenttia Australiassa käytettävästä kaivoskalustosta, ja kaksi näistä yrityksistä on suomalaisia, suurlähettiläs sanoo.

Australian talous on maailman 12. suurin.

– Meneillään on 23. peräkkäinen kasvun vuosi, ja maan bruttokansantuotteen ennakoidaan kasvavan 2,8 prosentin vuosivauhtia vuodesta 2013 vuoteen 2019.

Australia on enenevässä määrin kytketty Aasian nopeasti kasvaviin talouksiin, kertoo Thomson.

Tukikohta Pohjois-Aasian läheisyydessä Thomsonin mukaan edustus Australiassa antaa pohjoismaisille yhtiöille vankan sillanpääaseman, josta rakentaa kauppasuhteita Aasiaan. Aasian ennustetaan tuottavan 50 prosenttia maailman bruttokansantuotteesta vuoteen 2025 mennessä.

– Aasian suuren muutoksen johdosta Australiassa on erittäin paljon liiketoimintapotentiaalia. Kasvu on syntynyt kaivostoiminnan noususuhdanteesta, joka

56 VTT Impulse

teknologia

taas on seurausta Kiinan ja muiden Aasian maiden kehityksestä. Australian hallitus on erittäin optimistinen kasvun jatkumisen suhteen.

Arvioiden mukaan vuonna 2030 kaksi kolmasosaa maailman keskiluokasta asuu Aasiassa. Tämä luo mahdollisuuksia koulutuksen, terveydenhuollon ja maa­ talousteollisuuden aloilla.

Kohteet selvillä Australian hallitus on määritellyt painopistealueita, joille se haluaa erityisesti houkutella ulkomaisia yrityksiä – ei vain investointien, vaan myös tutkimuksen ja tuotekehityksen tähden. Näihin sektoreihin kuuluvat luonnonvarat ja energia, infrastruktuurirakentaminen, digitalous, materiaalitiede ja -teknologia sekä lääke­tiede ja lääkintäteknologia.

– Luonnonvara- ja energiasektorille on investoitu noin 268 miljardia Australian dollaria. Summa vastaa karkeasti Suomen kansantaloutta. Joidenkin projektien aikataulut ovat vielä epävarmoja, mutta summa antaa osviittaa alan keskipitkällä tähtäimellä odotetusta kasvusta.

Kaivosteollisuus pyrkii tällä hetkellä voimakkaasti lisäämään tuottavuuttaan. Tämä avaa mahdollisuuksia kansainvälisillä yrityksille, myös pohjoismaisille, jotka pystyvät auttamaan australialaisia yhtiöitä tehostamaan toimitusketjun kaikkia osa-alueita.

Terveydenhuoltosektorilla Australian hallitus on perustanut 20 miljardin dollarin rahaston terveystutkimusta varten, ja rahasto lainaa myös ulkomaisille yrityksille. Australian lääketieteellinen sektori on tunnetusti innovatiivinen.

Maalla on hyvät yhteydet: se on omaksunut uudet digitaaliset teknologiat nopeassa tahdissa, ja Australiaan ollaan juuri asentamassa maanlaajuista laajakaistaverkkoa. Australia etsii jatkuvasti uusia, tehokkaampia IT-ratkaisuja, ja tämä tuottaa loistavia mahdollisuuksia luoville ulkomaisille yrityksille.

Yksi Australian keskipitkän tähtäimen painopisteistä on uusiutuvien energianlähteiden hyödyntäminen, muun muassa siksi, että hallitus on sitoutunut vähentämään hiilidioksidipäästöjä vuoteen 2020 mennessä.

Korkean teknologian teollisuudessa ja puolustusalalla on myös paljon mahdollisuuksia.

– Australian biotalous ja bioenergian käyttö eivät ole yhtä kehittyneitä kuin Pohjoismaissa. Maan mielen­ kiinto tätä sektoria kohtaan on kuitenkin kasvussa, suurlähettiläs Thomson vakuuttaa muistuttaen, että maassa on runsaasti hyödyntämätöntä biomassaa.

Gerald Thomson

Melbournen ja Sydneyn syke Australiassa tapahtuu paljon ja nopeasti infrastruktuuri- ja kaupunkirakentamisen alueilla sekä keskushallinnon että kaupunginhallitusten tasolla. Tämä luo mahdollisuuksia erikoistuneilla aloilla.

– Melbournessa on esimerkiksi käynnissä projekteja, joiden suhteen Suomessa kehitetty kestävä kaupunkitekniikka on hyvinkin ajankohtaista. Sydneyssä taas on meneillään hankkeita, joissa suomalaiset yritykset voisivat tarjota osaamistaan energiatehokkaiden rakennusten alalla, suurlähettiläs Thomson kertoo. n

23 vuotta jatkuvaa kasvua Australian talous: • maailman 12. suurin • käynnissä 23. peräkkäinen kasvun vuosi • AAA-luottoluokitus kaikilta kolmelta maailmanlaajuiselta luokituslaitokselta • reaaliarvoisen BKT:n ennustetaan kasvavan 2,8 prosenttia vuodessa välillä 2013–2019 • yhä tiiviimmin kytköksissä Aasian nopeasti kasvaviin talouksiin Lähde: Australian kauppakomitea Austrade

VTT Impulse 57

teknologia

jyri häkämies:

Suomi on pidettävä

houkuttelevana EK:n syksyllä julkaisemassa kasvun manifestissa lyödään pöytään suomalaisten yritysten haasteita.

Teksti Antti J. Lagus, Hanna Rusila Kuvat Vesa Tyni

58 VTT Impulse

Avainviesti Suomalaiselta teollisuudelta vaaditaan uudistumiskykyä.

VTT:n kontakti Erkki KM Leppävuori, Anne-Christine Ritschkoff Lisätietoja www.vtt.fi

S

uomesta ja Euroopasta on valunut teollisuutta maanosan ulkopuolelle. USA houkuttelee halvalla energiallaan.

Suomen teol­­l isuuden osuus brutto­k ansantuotteesta on pudonnut 23 prosentista 15 prosenttiin.

EK:n toimitusjohtaja Jyri Häkämies näkee kuitenkin Suomella myös mahdollisuuksia, jotka liittyvät innovatiivisuuteen ja teknologiaan. Suomen ei Häkämiehen mielestä pidä tyytyä siihen perusajatukseen, että täältä tuotanto lähtee, vaan on pidettävä huolta koulutuksesta, energiasta ja logistiikasta sekä työjärjestelmän joustavuudesta.

Suomi on pidettävä teollisuuden kannalta houkuttelevana.

Häkämiehen mukaan joissain tapauksissa tuotanto voi olla esimerkiksi markkinoiden läheisyyden vuoksi syytä viedä muualle.

Silloin hänestä on kuitenkin äärimmäisen tärkeätä pitää pääkonttori ja tuotekehitys täällä.

– Voimme pärjätä kahta kautta. Teollisuuden on höylättävä kilpailukykyasioita ja osaamispuolella on oltava huippua, kuten olemme olleetkin, Häkämies sanoo.

Teollisuuden maastapako ei ole Häkämiehen mukaan mitenkään vääjäämätöntä.

On esimerkkejä tuotannon tulosta takaisin

Suomeen vaikkapa Malesiasta Lean Managementin hyödyntämisen myötä.

Nopeutta ja ketteryyttä – Usein sanotaan, että Suomessa otetaan mielellään uusia asioita käyttöön. Solidiumin hallituksen puheenjohtaja Pekka Ala-Pietilä on mielestäni kiteyttänyt tämän hyvin: Suomella on kaksi vahvuutta – nopeus ja ketteryys. Näitä ei kuitenkaan mielestäni hyödynnetä tarpeeksi hyvin.

Työmarkkinat ovat jäykät ja päätöksiä tehdään hitaasti.

Häkämiehen mukaan pitäisi olla nopeutta ja kokeilunhalua, jotta asioita tehtäisiin ensimmäisinä maailmassa.

– Metsäteollisuus on hieno esimerkki uudistumisesta. Siellä on otettu iskuja vastaan paperipuolella, mutta nyt puhutaan esimerkiksi biopolttoaineista ja puurakentamisesta.

Teknologian pitää levätä teoreettisella pohjalla Uusien tutkimustulosten mukaan 60 prosenttia ammateista tulee poistumaan. Robotit ja koneet korvaavat ihmistyö­voiman.

Häkämies sanoo, että jarruttamisen sijasta tulisi painaa entistä kovemmin kaasua ja ottaa käyttöön robotiikkaa ja ­teknologiaa.

VTT Impulse 59

teknologia

Avainsanat Kilpailukyky, talouskasvu, yritystoiminta, teollisuus Avainhenkilöt Jyri Häkämies, Erkki KM Leppävuori, Anne-Christine Ritschkoff

”TEKNOLOGIAN ON OLTAVA KAUPALLISTA.”

Hänestä ei tulisi siis ajatella, että uusi tekniikka syö työmme, sillä niin emme ainakaan voi menestyä.

Häkämies toteaa, että teknologian on oltava kaupallista, jotta se ylipäänsä kävisi kaupaksi.

Tämä näkyy myös VTT:n toiminnassa, jossa kolmannes on perustutkimusta, kolmannes yritys­vetoista tutkimusta ja kolmannes teknologian kaupallistamista. Tässä on Häkämiehen mukaan myös yksi innovaatiopolitiikan ikuisuus­kysymyksistä: mikä on teoreettisen ja soveltavan suhde? Häkämies on vakuuttunut siitä, että innovaatiot eivät voi levätä vain soveltavalla pohjalla, sillä ilman vahvempaa pohjaa lento pian katkeaa.

Häkämies muistuttaa, että teollisuuden pitää miettiä teknologiainvestointeja tehdessään näiden takaisinmaksuaikaa. Sovellettavat säännöt vaihtelevat toimialoittain ja yrityksittäin. Esimerkiksi energiainvestoinnit tehdään vuosikymmeniksi, kun taas vaikkapa peliteollisuus on paljon nopeasyklisempää.

Yritykset arvostavat ennustettavuutta Häkämies näkee, että alhainen yhteisöverojärjestelmä on parempi kuin monimutkainen vähennysjärjestelmä.

60 VTT Impulse

– Mitä selkeämpi ja yksinkertaisempi vero­ järjestelmä yrityspuolella on, sitä ennustettavampi ympäristö on. Yritykset arvostavat sijoitus­päätöstä tehdessään ennustettavuutta, jottei esimerkiksi yhtenä vuonna tehty verotuspäätös poukkoile seuraavana vuonna toiseen asentoon.

EK:n tuoreessa teollisuusmanifestissa todetaan, että rajanveto teollisuuden ja palveluiden välillä on entistä vaikeampaa. Rajat kulkevat osittain yritysten sisälläkin. Moni perinteinen teknologiayritys tekee yhä isomman osan liike­ vaihdostaan palveluilla. Häkämies uskoo, että esineiden internet tulee vielä lisäämään tätä kehitystä, kun tuotteita ympäri maailman voidaan valvoa Suomessa sijaitsevista keskus­ valvomoista.

Häkämies kiteyttää yritysten viestin näin: julkisen yritystukiapparaatin pitää olla hyvin asiakas­lähtöinen. Varsinkaan pk-yrityksissä ei välttämättä ole erikseen tuotekehitysyksikköä, vaan sama yrittäjä miettii tätäkin puolta muun liiketoiminnan ohessa. n

Lisää liikevaihtoa, uusia tuotteita Tutkimus- ja kehitysinvestointeja epäillään toisinaan tuottamat-

tomaksi kulueräksi. VTT:n kesäkuussa julkaistu vaikuttavuustutkimus kertoo toista.

Lähes 80 prosenttia VTT:n asiakasyrityksistä arvioi, että yhteistyö on poikinut uusia tuotteita, palveluja tai prosesseja. Kilpailukykynsä arvioi parantuneen 73 prosenttia. Täysin uuden teknologian otti hankkeen myötä käyttöönsä 57 prosenttia asiakkaista.

VTT:n osuus Suomen t&k-panostuksista on nelisen prosenttia.

Tuolla rahalla VTT on ollut osallisena 36 prosentissa suomalaisista innovaatioista. Tätä voi kutsua vaikuttavuudeksi, toteaa VTT:n pää­ johtaja Erkki KM Leppävuori. − Vaikeina aikoina paukkuja pitää laittaa entistäkin enemmän elinkeinoelämän uudistamiseen ja kehitystyöhön, hän näkee.

Pääjohtaja painottaisi rahanjaossa soveltavaa tutkimusta, joka hyödyttää yrityksiä suoraan. − Suomessa asetelma on minusta hiukan vinoutunut perustutkimuksen hyväksi. Fokusta olisi hyvä kääntää, hän sanoo.

Vaikuttavuustutkimuksen tilastoluvut ovat peräisin laajasta SFINNOinnovaatiotietokannasta sekä Tilastokeskuksen keräämästä datasta.

– Tämä antaa tuloksille luotettavuutta. Yritysten menestykseen vaikuttaa toki moni muukin asia kuin tutkimuspanostukset, mutta suunta on selvä: tutkimus- ja kehitystyöllä on merkitystä, summaa VTT:n tieteellinen johtaja Anne-Christine Ritschkoff.

”BIOTALOUS ON NOUSEVA ALA.”

Biotalouden selkänoja

ERKKI km LEPPÄVUORI

Kuva: Antonin Halas

Vaikutusta asiakasyritysten liikevaihtoon, tuotevalikoimaan ja kilpailukykyyn tarkasteltiin usealla sektorilla. Selvimmin liikevaihto kasvoi VTT:n panoksen tuloksena biotaloussektorilla. Siellä kasvu oli peräti 73 prosenttia sellaisten innovaatioiden jälkeen, joissa VTT oli merkittävässä roolissa.

Biotalous koskettaa etenkin metsä- ja kemianteollisuutta, joiden osuus Suomen viennistä on liki 45 prosenttia.

– Metsäbiomassa ja siitä saatavat lisäarvotuotteet ovat luonnollisesti keskiössä Suomen biotalousstrategiassa. Biotalous on nouseva ala, ja sellaisella on pakkokin panostaa tutkimukseen ja kehitykseen, jotta liiketoiminta lähtisi lentoon, Leppävuori painottaa.

Lupaavia näkymiä piilee myös cleantechissä ja digiteknologiassa.

– Eikä tämä välttämättä tarkoita samaa alaa, jolla Nokia on operoinut. Esimerkiksi sosiaalinen media osoittaa, kuinka paljon digitaalisuudessa voi olla potentiaalia.

Kuluttaja ei välttämättä tiedosta tutkimuspanostusten roolia tuotteissa ja palveluissa. Teollisuuden piirissä hyödyt ymmärretään hyvin. − Suurin osa toiminnastamme on b-to-b:tä. Teemme paljon töitä esimerkiksi ydinturvallisuuden eteen. Testiemme ansiosta rakennus­ teollisuuden tuotteet saavat CE-merkintänsä ja venemallit hyväksyntänsä, Ritschkoff jatkaa listaa.

VTT:n toiminnassa on kaksi näkökulmaa: Ensinnäkin tutkimus antaa yrityksille ”teknologiasysäyksiä”, jotka mahdollistavat tuotteiden ja palvelujen kehittämisen. Toiseksi teknologialla pyritään ratkaisemaan vastaan tulleita ongelmia.

Anne-christine Ritschkoff VTT Impulse 61

teknologia

Avainsanat Biotalous, metsätalous, puubiomassa, selluloosa, uudet kuluttajasovellukset Avainhenkilöt Kristiina Kruus, Anna Suurnäkki Avainviesti VTT kehittää uusia sovelluksia puubiomassasta.

VTT:n kontakti kristiina.kruus@vtt.fi, anna.suurnakki@vtt.fi Lisätietoja www.vtt.fi

P

uu kasvaa Suomessa nopeammin kuin sitä käytetään. Vuosikasvu on jo yli 100 miljoonaa kuutiota, josta teollisuus käyttää vain noin 50 miljoonaa. Kestävästi puuta voisi käyttää noin 70 miljoona kuutiota vuodessa.

– Olemme puun osalta reilusti kestävän kehityksen puolella. Siitä huolimatta metsävarojen hyödyntäminen voisi olla tehokkaampaa ja talou­dellisempaa, toteaa VTT:n tieteellinen johtaja Anne-Christine Ritschkoff.

– Uusien tuotteiden on oltava edullisia ja yhtä hyviä kuin muovi – jopa parempia. Suomeen on luotava liiketoiminnan arvoketjuja uuden liiketoiminnan käynnistämiseksi.

VTT vie julkisia biotalousprojekteja ja -toimeksiantoja eteenpäin 600 henkilötyövuoden voimin. VTT:n liikevaihdosta 24 prosenttia liittyy biotalouteen. T&k-työssä hyödynnetään biotekniikan ja kemian lisäksi muun muassa prosessiteknologiaa ja liiketoimintaosaamista.

Puusta on moneksi Puubiomassa taipuu tutkijoiden käsittelyssä erilaisia ominaisuuksia omaavaksi nanoselluloosaksi, kemikaaleiksi, lääkkeiksi, elintarvikkeiksi ja rehuksi. Solujen aineenvaihduntaan vaikuttamalla on mahdollista saada sokereista erikoiskemikaaleja, esimerkiksi isopreeniä, karotenoideja, hajusteita ja kumia korvaavaa ainetta.

Puun voimalla biotalouteen

Suomen mittavat puuvarannot muuntuvat yhä erilaisemmiksi materiaaleiksi. VTT:llä on siitä paljon näyttöä.

Teksti Paula Bergqvist Kuvat Antonin Halas ja iStockphoto

62 VTT Impulssi

teknologia

Sellunkeittoa kehitetään parhaillaan tekstiilien valmistamiseen. Selluloosamuuntokuiduilla on Suomessa mahdollisuudet päästä 8–10 miljardin euron arvoiseen tuotantoon. VTT:n laboratoriossa Jyväskylässä kehrätään jo sellulankaa.

Kehitystyö toteutetaan yhteistyössä Aalto-yliopiston ja Tampereen teknillisen yliopiston kanssa. Yhteisenä visiona on luoda suomalaisesta puusta tulevaisuuden design-tuotteita.

Puun vähiten hyödynnetty komponentti on ligniini, jota kertyy maailmanlaajuisesti teollisuudessa 50 miljoonaa tonnia vuodessa. Polttoaineena ligniini on arvoltaan 50–100 euroa tonnilta. Sille löytyy arvokkaampaakin käyttöä.

Markkinoilla on jo tuotteita, joissa on pieni määrä ligniiniä. VTT:n tavoitteena on nostaa sen osuus uudelle tasolle.

– Väite, että ligniinistä voi tehdä kaikkea muuta paitsi rahaa ei enää pidä paikkansa, toteaa VTT:n tutkimusprofessori Kristiina Kruus.

Puumateriaali tai puuraaka-aine, joka ei kelpaa kuitutuotteiden valmistukseen, voidaan ”räjäyttää” ja näin avata se lähtömateriaaliksi sokereiden ja edelleen kemikaalien tai polttoaineiden valmistusta varten. VTT on kehittänyt menetelmiä, joilla kasvimateriaalin soluseinät rikotaan ja pilkotaan sokereiksi etanolin valmis-

Ruiskuvalamalla muotoiltu kuppi, jossa puuperäistä materiaalia, kuituja ja ligniiniä lähes 80 %. VTT on kehittänyt valmistusmenetelmän FIBICin FuBio-ohjelmassa.

kasvimateriaalin soluseinät rikotaan.

VTT Impulssi 63

Anna Suurnäkki ja Kristiina Kruus esittelevät uusimpia VTT:llä kehitettyjä biomateriaaleja.

tusta varten. St1 Biofuels ja VTT ovat sopineet puupohjaisen tuotantoprosessin optimointiin tähtäävästä tutkimusyhteistyöstä.

Puun uudet materiaaliratkaisut Puubiomassan kaikki arvokomponentit ovat viime vuosina olleet Suomen metsäteollisuuden kiinnostuksen kohteena, ja tuloksia on näkyvissä: markkinoille on tullut mäntyöljypohjainen biodiesel ja nanoselluloosatuotteita.

Tutkimuspäällikkö Anna Suurnäkki esittelee VTT:llä kehitettyjä tulevaisuuden tuotteita. Yksi niistä on kuiville elintarvikkeille kuten pähkinöille soveltuva pussi, joka koostuu kolmesta biopohjaisesta kerroksesta – kullakin kerroksella on oma tehtävänsä tuotteen suojaamiseksi.

Yksi kerroksista on nanoselluloosafilmi, jota voidaan myös käyttää muihin sovelluksiin kuten elektroniikan painoalustaksi.

– Olemme kehittäneet kuitupohjaisten pakkausten ominaisuuksia entistä muovattavammiksi ja keveämmiksi.

64 VTT Impulse

Vaahdottamalla voidaan valmistaa suojapakkauksia, eristeitä ja muita huokoisia, iskun­ kestäviä tai lämpöä tai ääntä hyvin eristäviä materiaaleja. Ne voivat korvata esimerkiksi nykyisiä kylmätuotteiden pakkausmateriaaleja tai toimia komposiittina, jonka voi käytön jälkeen polttaa.

Selluloosapohjaisten tekstiilikuitujen alueella VTT on kehittänyt uusia viskoosi- ja lyocellprosesseihin sopivia selluloosan liuotustapoja sekä menetelmiä, joissa selluloosasta voidaan vetää jatkuvaa kuitulankaa ilman selluloosa­ kuidun liuottamista. Eripituisia kuituja on myös rainattu paperikoneella vaahdon avulla kuitukankaaksi.

– Selluloosakuituja sisältävien tekstiilituotteiden kierrätys on jatkossa yhä tärkeämpää, kun lainsäädäntö orgaanisen jätteen viemistä kaatopaikoille kiristyy. Mietimme siksi jo kehitystyön alkuvaiheessa, miten selluloosa voidaan ottaa käytön jälkeen talteen esimerkiksi uuden tekstiilin valmistamiseksi, kertoo Suurnäkki. n

Metsä Fibre suunnittelee Äänekoskelle biotuotetehdasta Äänekosken nykyinen sellutehdas on kohta 30 vuoden

ikäinen. Metsä Groupiin kuuluva Metsä Fibre päätti suunnitella elinkaarensa loppuun kohta tulevan tehtaansa tilalle suuremman ja monikäyttöisemmän. Päätökseen vaikuttivat puun hyvä saatavuus Suomessa sekä havusellun kasvava kysyntä maailmalla.

– Hanke odottaa vielä lopullista investointipäätöstään.

Se edellyttää toimivan ympäristöluvan saamista sekä esi­ suunnittelun viemistä loppuun. Jos kaikki menee hyvin, uusi biotuotetehdas käynnistyy kesällä 2017, kertoo Metsä Fibren tutkimusjohtaja Niklas von Weymarn.

Aluksi uusi tehdas eroaa vain vähän vanhasta.

– Olemme visioineet, että sellunvalmistuksen kyljessä toimisi nykyisten rinnakkaistuotteiden lisäksi aivan uusia. Ehtivätkö ne ihan ensimmäiseen vaiheeseen – sitä on vielä vaikea sanoa. Tarkoitus on, että tehdas lopulta kehittyy nykyaikaiseksi monituotekokonaisuudeksi.

Polyuretaani eli styroksinakin tunnettu kevyt ja halpa pakkaus- ja eristemateriaali on ympäristöongelma.

VTT on kehittänyt sekä kuituvaahtoteknologiaa että biopolymeerien vaahdotustekniikkaa, joilla voitaisiin valmistaa muun muassa polyuretaania korvaavia biopohjaisia materiaaleja.

poltto tehokkaammaksi

Sivutuotteista merkittävää bisnestä Metsä Fibren nykyisiä sellunvalmistuksen rinnakkaistuotteita ovat tärpätti, mäntyöljy, sähkö, höyry, kaukolämpö, kuori ja seulontapuru. Yrityksen liikevaihto oli vuonna 2013 noin 1,3 miljardia euroa, josta mainittujen rinnakkaistuotteiden osuus oli jo yli 10 prosenttia.

Suurimmat sivuvirrat, joita uusi tehdas voisi hyödyntää uudella tavalla, ovat kuori, seulontapuru ja ligniini. Ne päätyvät nyt energiakäyttöön. Von Weymarn uskoo, että ligniinille löytyy tulevaisuudessa polttoa huomattavasti arvokkaampia käyttökohteita.

VTT toimii edelläkävijänä Osa puuaineksesta päätyy

kaikesta huolimatta energian raaka-aineeksi. Energian­ tuotantoa varten VTT kehittää myös termisiä prosesseja – kaasutusta ja pyrolyysiä – entistä tehokkaammiksi.

Tutkimus on siirtymässä lähikuukausina VTT:n uusiin tutkimustiloihin Espoon Kivenlahdessa. VTT:n Bioruukista tulee paikka, jossa yritykset voivat kokeilla omien ideoidensa toimivuutta.

– VTT:llä on tärkeä rooli toimia edelläkävijänä ja luoda uuden liiketoiminnan edellyttämiä osaamisplatformeja. Tästä on esimerkkinä FIBIC:in FuBiokokonaisuus, jossa yritykset ovat VTT:n kanssa vieneet parhaita ideoita eteenpäin.

Niklas von Weymarnin mukaan VTT toimii biotaloustutkimuksessa edelläkävijänä maailmanlaajuisesti. Sen tekemää kehitystyötä hyödynnetään myös Äänekosken biotuotetehtaassa.

VTT Impulse 65

liiketoiminta Testaa+ yhdistää bisneksen ja muotoiluajattelun

Innovaatiotoimijat yritysten uudistumisen tukena suomen talous käy läpi syvää rakennemuutosta. Kasvuyritysten ja liike­ toiminta-alueiden kehittyminen edellyttääkin yritysten ja julkishallinnon tiivistä yhteistyötä. Tänä vuonna Tekes, Finnvera, Sitra, Finpro, Suomen Akatemia ja VTT ovat tehneet yhdessä Suunta-työtä.

Suunta-työssä kehitetään uusia toimintamalleja Suomen kannalta lupaavien uusien liiketoiminta-alueiden kehityksen vauhdittamiseksi. Suunta-työ auttaa toimijoita toimimaan yhteisten tavoitteiden hyväksi roolilleen sopivalla tavalla, jotta julkisista voimavaroista saadaan paras kansantaloudellinen vaikuttavuus.

– Työn päätavoite on tukea Suomen elinkeinoelämän uudistumista, Tekesin pääjohtaja Pekka Soini korostaa.

Suunta-yhteistyö kattaa viisi teemaa, joiden avulla kehitetään uutta toimintamallia kansainvälisesti kilpailukykyisten liiketoimintaekosysteemien kasvun edistämiseksi.

VTT:n Testaa-projekti tarjoaa erityisesti pk-yrityksille mahdollisuutta lähteä turvallisesti ja kustannustehokkaasti testaamaan omia tuoteideoitaan. Projekti antaa osallistuville yrityksille mahdollisuuden nopeasti ja tehokkaasti testata uusien komponenttien teknistä toteutettavuutta, kaupallista kannattavuutta ja uusien materiaalien tuomia muotoilu- ja toiminnallisuusmahdollisuuksia. Tavoitteena on myös kehittää Testaa-toimintamallia vastaamaan paremmin tulevaisuuden biotaloussektorin kehitystarpeita.

50

metrin syvyydestä löytynyt 170 vuotta vanha olutaarre näkee kaupallistamisen.

Historiallinen olut markkinoille Ahvenanmaalla vuonna 2010 löytyneestä hylystä löytyi viisi olutpulloa. Kaksi päätyi VTT:lle, joista VTT analysoi fysio-kemiallisen koostumuksen ja oluen reseptin rekonstruoi belgialainen KU Leuvenin yliopisto. Uudestisyntynyt 1840-luvun olut pääsi markkinoille, kun ahvenanmaalainen Stallhagen aloitti sen tuotannon.

Uusiakin makuelämyksiä saadaan olueen jalostamalla hiivakantoja ja hyödyntämällä luonnossa esiintyviä hiivoja ja bakteereita. VTT:n uusimpia tutkimussuuntauksia on kehittää uusia hybridihiivoja, joilla on erilainen makuprofiili tai parempi kyky käyttää sokeria alkoholiksi kuin nykyisillä lager-hiivoilla.

66 VTT Impulse

Kuva: Henry Kestilä

liiketoiminta

Syvyyskameroiden pilotti VTT:n kehittämää syvyyskameroihin perustuvaa seurantajärjestelmää on pilotoitu vuoden 2014 kesän ja syksyn aikana muun muassa Rinteenkulman kauppakeskuksessa Rovaniemellä. Syvyyskameroiden avulla voidaan saada arvokasta tietoa asiakkaiden käyttäytymisestä esimerkiksi myymälöissä: missä he viettävät aikaansa, mistä he ovat kiinnostuneita, tai mihin he aikovat seuraavaksi mennä. Lue lisää aiheesta sivulta 72.

VTT Impulssi 67

Suomi sijoittuu maailman kärkeen monissa kansainvälisissä vertailuissa. Muun muassa talouden kilpailukyky sekä koulutus- ja innovaatiojärjestelmät ovat saaneet laajaa tunnustusta.

Teksti Salla Peltonen Kuvat iStockphoto

Suomi

on hyvä

investointi 68 VTT Impulse

V

Kansainväliset investoinnit kasvussa Osana Finprota toimivan Invest in Finlandin mukaan vuonna 2013 Suomeen tehtiin 213 suoraa kansainvälistä investointia (FDI). Vuotta aiemmin vastaava luku oli 153. Eniten investointeja tehtiin kuluttajakauppaan, liike-elämän palveluihin, terveydenhuolto- ja hyvinvointi- sekä ICT-sektorille. Investoijamaista merkittävimpiä olivat Ruotsi, Iso-Britannia, Saksa ja USA. YK:n kauppa- ja kehitysjärjestö UNCTADin ennakkoarvion mukaan ulkomaiset suorat sijoitukset nousivat edellisvuodesta 11 prosenttia 1 460 miljardiin dollariin. Kehittyviin maihin suuntautuneiden investointien määrä jatkoi kasvuaan (osuus 52 % kokonaisvirrasta), kun taas investoinnit kehittyneisiin maihin jäivät jo toista kertaa historiallisen alhaisiksi (39 % kokonaisvirrasta) vaikkakin kansainväliset investoinnit EU-maihin kasvoivat.

liiketoiminta

aikka taloudessa kynnetään tällä hetkellä kivistä peltoa, Suomi tarjoaa hyviä mahdollisuuksia investointikohteena. Vakaa talous, tehokas infrastruktuuri, yritysystävällinen liiketoiminta­ympäristö sekä korkeasti koulutettu ja kielitaitoinen työvoima tarjoavat monia mahdollisuuksia Suomesta kiinnostuneille yrityksille ja sijoittajille. Suomi toimii ihanteellisena väylänä myös Venäjän ja Pohjois-Euroopan markkinoille.

portti itään suomi tarjoaa toimivan yhdyskäytävän

Kilpailukyky huippuluokkaa Maailman talousfoorumin (World Economic Forum, WEF) The Global Competitiveness Report 2014–2015 -vertailun mukaan Suomi on maailman neljänneksi kilpailukykyisin maa.

144 vertaillusta valtiosta Suomen edelle sijoittuivat Sveitsi, Singapore ja Yhdysvallat.

Suomen vahvuuksia ovat terveydenhuolto, perus- ja korkeakoulutus, talouden ja yhteis­ kunnan instituutioiden toimivuus sekä innovaatiot. Heikkouksia taas markkinoiden koko sekä työmarkkinoiden tehottomuus.

Ykkössijan Suomi saavutti WEF:n tuottamassa Europe 2020 Competitiveness Index -vertailussa. Raportin mukaan Suomen sijoituksessa näkyy valtion vahva panostus koulutukseen, mikä on tuottanut muuttuvaan ympäris-

Venäjälle, ja sen sijainti on keskeinen myös Pohjois-Euroopan 80 miljoonan kuluttajan markkinoita ajatellen.

Suomella on pitkä kokemus PohjoisEuroopan kaupasta sekä historialliset ja kulttuuriset siteet naapurimaihinsa ja näin ollen arvokasta tietoa ja ymmärrystä alueesta. Suomen modernit logistiikka- ja viestintäverkostot edesauttavat liikenteen sujuvuutta ja turvallisuutta. Suomella ja Venäjällä on myös sama raideleveys, joten vaunuja ei tarvitse muokata tai lastata uudelleen rajaa ylitettäessä. Suurin osa EU:n transitokaupasta Venäjälle kulkeekin jo Suomen kautta.

VTT Impulse 69

suomessa on maailman paras tarjonta tutkijoita ja insinöörejä.

töön nopeasti sopeutumaan pystyvää työvoimaa ja valanut perustan teknologian omaksumiselle ja innovaatioiden tuottamiselle.

Suomi paransi taloudellista kilpailukykyään myös vuosittain eri maiden kilpailukykyä arvioivan sveitsiläisen Institute for Management Developmentin (IMD) selvityksessä. Tutkitun 60 maan joukosta Suomi sijoittui sijalle 18 ja nousi ylöspäin kaksi sijaa edelliseen vuoteen verrattuna.

IMD:n mukaan Suomi on parantanut kilpailu­ kykyään muun muassa kansainvälisen kaupan ja rahoituksen osalta. Myös yritysverotukseen kohdistuneet kevennykset, vahvistunut usko suomalaiseen cleantech-teollisuuden mahdollisuuksiin sekä suorien sijoitusten lisääntyminen ulkomailta Suomeen ja Suomesta muihin maihin vahvistivat Suomen sijoitusta.

IMD World Competitiveness Centerin johtaja, professori Arturo Brisin mukaan Suomen näkymät ovat hyvät. Taloussanomien haastattelussa Bris sanoi Suomen kuuluvan niihin Euroopan reunaalueiden talouksiin, joiden kilpailukyky on sel-

Mutkaton liiketoimintaympäristö Suomen liiketoimintaympäristö edistää liiketoiminnan syntymistä. Byrokratia on vähäistä, investointeihin on saatavilla rahoitusta ja myös ulkomaalaisomisteiset yritykset voivat hyötyä erilaisista investointikannustimista, tutkimus- ja tuotekehitystuista sekä tutkimustiedosta, jota tuotetaan laajassa yhteistyössä suomalaisten yliopistojen ja yksityisen sektorin kanssa.

Korruptiota tarkkailevan kansalaisjärjestön, Transprency Internationalin, mukaan Suomi on myös yksi maailman vähiten korruptoituneista maista.

70 VTT Impulse

västi parantunut työttömyydestä ja julkisen talouden haastavasta tilanteesta huolimatta.

Taitava työvoima Suomessa on osaavaa, korkeasti koulutettua ja kielitaitoista työvoimaa. Tietojen vaihto yliopistojen ja yritysmaailman välillä on yksi Suomen tunnustetun innovaatio-osaamisen ja talouden menestyksen avaintekijöistä. Erityisen vahvaa osaamista Suomessa on ICT- ja mobiiliteknologia­ sektoreilla sekä uusiutuvan energian tuottamisessa.

Suomen koulutusjärjestelmä on saavuttanut jatkuvasti hienoja tuloksia. Muun muassa OECD:n jäsenmaissa kolmen vuoden välein 15-vuotiaiden nuorten osaamista matematiikassa, luonnontieteissä ja lukutaidossa arvioivassa PISAvertailussa Suomi on sijoittunut vuodesta toiseen kärkisijoille. Tulosten laskusta huolimatta suomalaisnuorten osaaminen on edelleen OECD-maiden joukossa parhaimmistoa. Viimeisimmässä, vuoden 2012 vertailussa Suomi sijoittui matematiikassa kuudenneksi, lukutaidossa kolmanneksi ja luonnontieteissä toiseksi.

Noin kolmanneksella Suomen työvoimasta onkin loppututkinto tai korkeampi pätevyys.

WEF:n raportin mukaan Suomessa on maailman paras tarjonta tutkijoita ja insinöörejä, ja heidät on koulutettu yhdessä maailman parhaista koulutusjärjestelmistä. Työvoimakustannukset taas ovat matalampia kuin muissa Pohjoismaissa.

Englanti on Suomen hyvin kansainvälisen yritysyhteisön yleinen kieli. Yli 90 prosenttia alle 30-vuotiaista suomalaisista puhuu englantia.

Ruotsi on toinen Suomen virallisista kielistä, ja monet suomalaiset puhuvat myös venäjää.

Vahva innovaatiojärjestelmä Suomi on tunnettu vahvana innovaatioiden synnyttäjänä, ja se on keskittynyt muun muassa etsimään luovia ratkaisuja globaaleihin ongelmiin. Tutkimus- ja kehitystyöhön käytetty

summa henkilöä kohden onkin yksi maailman suurimmista. Suomalaiset yritykset ja kuluttajat omaksuvat uusia teknologioita nopeasti, mikä tekee Suomesta ihanteellisen testialustan uusille ratkaisuille ja teknologioille.

Myös Suomeen suuntautuvat suorat ulkomaiset investoinnit liittyvät usein tietoon ja osaamiseen. Suomella on useita korkean teknologian ryhmittymiä ja huippuosaavia teknologiayrityksiä esimerkiksi langattomiin ja mobiilisovelluksiin, cleantechiin, terveydenhuoltoon ja hyvinvointiin sekä uusiin materiaaleihin ja prosesseihin liittyvillä toimialoilla.

Vakaa yhteiskunta Suomi on yksi harvoista valtioista, joilla on edelleen korkein mahdollinen luottoluokitus, AAA, kahden suurimman luottoluokittajan Fitch Ratingsin ja Moody’sin mukaan. Standard & Poor’sin mukaan Suomen luottoluokitus on AA+. Fitchin syyskuun 2014 lopussa julkaistun arvion mukaan Suomen taloudellinen ja poliittinen perusta sekä eläkejärjestelmän rahoitus ovat edelleen vakaalla pohjalla.

WEF:n vertailussa Suomi rankattiin Euroopan parhaaksi vahvasta sosiaalisesta osallistami-

sestaan. Ihmisten eriarvoisuus on vähäistä, valtio tuottaa sosiaalipalveluja, ja kansalaisilla on mahdollisuus parantaa taloudellista asemaansa riippumatta yksilön sosioekonomisesta taustasta. Kestävässä kehityksen osalta Suomi sijoittui toiseksi, mikä osoittaa, ettei taloudellista menestystä ole saavutettu ympäristön kannalta kestävien toimenpiteiden kustannuksella.

Yhdysvaltalainen viikkolehti Newsweek vertaili vuonna 2010 kansalaisten elinoloja sadassa maassa. Maailman parhaaksi maaksi valikoitui Suomi. Lehden arvioinnissa vertailukohteina olivat valtioiden koulutus- ja terveyspalvelut, elämänlaatu, talouden vireys sekä poliittiset olot. n

Lähteet: IMD World Competitiveness Yearbook 2014: imd.org/wcc/news-wcy-ranking/ The Europe 2020 Competitiveness Report 2014: reports.weforum.org/europe-2020-competitiveness-report-2014/ The Global Competitiveness Report 2014 – 2015: weforum.org/issues/global-competitive-

lue lisää

ness emaileri.fi/g/l/102331/0/0/148/51/9 finland.org/public/default.aspx? contentid=198513

• Suomen taloudellisten ulkosuhteiden, suomalaisyritysten kansainvälistymisen, Suomeen suuntautuvien ulkomaisten investointien sekä Suomen maakuvaan edistäminen: team.finland.fi • Tilastot kansainvälisistä yrityksistä Suomessa, räätälöidyt palvelut investointiprosessin alusta loppuun: investinfinland.fi • Uutisia Suomeen tulleista sijoituksista: goodnewsfinland.fi

helsinkibusinesshub.fi/ghp/article/kansainvaliset-investoinnit-suomeen-kasvussa/ investinfinland.fi/why-finland/facts-on-finland/40 investinfo.fi/finland-improves-its-imd-competitiveness-ranking/ investinfo.fi/finland-ranked-best-in-europe2020-competitiveness-index/ minedu.fi/OPM/Tiedotteet/2013/12/pisa.html taloussanomat.fi/kansantalous/2014/05/22/ imd-suomi-kohensi-sijoitustaan-kilpailukykyvertailussa/20147226/12

VTT Impulse 71

joustavan

energiantuotannon kärkimaaksi

Neo-Carbon Energy -tutkimushankkeessa selvitetään, miten uusi energiajärjestelmä toimii.

Teksti Antti J. Lagus Kuvat Jarmo Katila ja iStockphoto

E

U on määritellyt tiukat hiilidioksidin päästötavoitteet. Nämä tavoitteet merkitsevät, että energiajärjestelmän pitää olla käytännössä täysin päästötön vuoteen 2050 mennessä. Jos tuo tavoite halutaan saavuttaa, vuonna 2030 täytyy muutoksen olla jo täydessä käynnissä. Ratkaisuksi on perinteisesti ehdotettu kahta tietä, joista toinen on ydinvoima ja toinen fossiilisten polttoaineiden käytön jatkaminen, jossa on hiilidioksidin talteenotto ja loppusijoitus.

VTT on Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Turun yliopiston tulevaisuuden tutkimuskeskuksen kanssa aloittanut Tekesin rahoittaman Neo-Carbon Energy -tutkimushankkeen, jossa selvitetään tulevaisuuden energiajärjestelmän toiminnallisia periaatteita. Aurinko- ja tuulienergialla oletetaan olevan iso rooli – jos ei Suomessa, niin ainakin pääosassa muuta maailmaa.

– Aurinkosähkön hinnan laskun ansiosta aurinko­ energiaa voidaan käyttää laajassa mitassa mutta vain sopivan energiavarastojärjestelmän kanssa.

Aurinkoenergian hinta on puolittunut vuodesta 2008. Nyt laajamittainen tuotanto on lähtenyt liikkeelle myös muissa maissa kuin Saksassa. Esimerkiksi Suomessa aurinkosähkön tuottaminen maksaa nyt 120 euroa megawattitunnilta ja vuonna 2030 arvioiden mukaan puolet siitä, toteaa projektin koordinaattori, johtava tutkija Pasi Vainikka VTT:ltä.

72 VTT Impulssi

Varastojärjestelmien osaajaksi Energiaa pitää varastoida laajamittaisesti ja toimittaa myös liikennekäyttöön. Perusteollisuus kuitenkin tarvitsee tasaista energiavirtaa, jollaista tuottavat vanhat energialähteet kivihiili, maakaasu ja ydinvoima. Aurinko- ja tuuli­ voimaan liittyvä energian varastointiongelma pitää ratkaista.

Teknologisesti ottaen projektissa on kyse energiavarastoinfrastruktuurin kehittämisestä.

Vainikka muistuttaa, että vaikkei Suomesta koskaan tulisikaan maailman johtavia tuuliturbiinien tai aurinkopaneelien valmistajia, varasto­ järjestelmien ja niiden ohjauksen ympärille syntyvästä ekosysteemistä Suomelle riittäisi pienikin osa.

– Energia voidaan varastoida hiilivetyinä, joita syntyy, kun annetaan eri lähteistä tuodun hiilidioksidin ja sähköllä tuotetun vedyn reagoida keskenään. Suomeen on jo rakenteilla nesteytetyn maakaasun säiliöverkosto, ja MannerEurooppaan meidät yhdistää maakaasuputki, joten metaanin käyttö on yksi mielenkiintoisimmista vaihtoehdoista, Vainikka sanoo.

Teknologiset komponentit hiilivetyvarastojen toteuttamiseksi ovat jo Vainikan mukaan olemassa. Vuoteen 2020 mennessä odotetaan, että energian varastoinnissa kustannukset puolittuvat.

Pilotit luovat markkinoita – Kysymys on loppujen lopuksi varastointitekniikan hinnoittelusta. Investoijan pitää saada pääomakulunsa katetuiksi. Pilotit pitääkin saada käyntiin, jotta tekniikkaa päästään oppimaan ja päästään luomaan markkinoita, Vainikka sanoo.

Vainikka vertaa nykyistä energiavarasto­ kehitystä taajuusmuuttajien syntymiseen 1970-luvulla. Ne kehitettiin Helsingin metron käyttöön. Samoin ensimmäinen GSM-verkko lähti liikkeelle vaatimattomasti, kun Nokia toimitti sen Radiolinjalle vuonna 1991. Vainikan mukaan nytkin on tarpeen ottaa käyttöön ensimmäisiä pilottihankkeita, joista energia­ varastointi lähtee leviämään.

Hankkeen ohjausryhmässä on mukana viitisentoista Suomen johtavaa alan yritystä. VTT on vetovastuussa 14,2 miljoonan euron kokonais­ budjetin projektista. Budjetista noin puolet on VTT:n, noin kuusi miljoonaa euroa Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja miljoonan verran on Turun yliopiston tulevaisuuden tutkimuskeskuksen budjettia.

liiketoiminta

Kun hinta on 60 euroa megawattitunnilta, aurinkoenergia on halvempaa kuin moni nykyinen sähköntuotanto. Suomessa aurinko paistaa täydellä teholla noin 900 tuntia vuodessa.

Paremmilla alueilla määrä kaksin- tai lähes kolminkertaistuu. Tämä merkitsee, että Välimeren maissa megawattitunnin hinnaksi tulee vuonna 2030 vain 30 euroa. Vainikan mukaan tällöin aurinkosähkö olisi halvinta olemassa olevaa sähköä.

Vainikka kysyy, pitäisikö trendi ottaa Suomessakin vakavasti ja mitä tulee tapahtumaan, jos näin käy. Tästä Neo-Carbon Energy -hankkeessa on kysymys. Tuotantokapasiteetilla on taipumus siirtyä käyttämään halvinta tapaa, ja tästä voi syntyä itseään kiihdyttävä kierre.

Tulevaisuuden voimalaitos hahmottuu Tulevaisuuden tutkimuksen lisäksi projektin työpaketteja ovat muun muassa energiajärjestelmän rakenteen tutkimus ja mallinnus, liiketoimintaketjut, prosessien tekninen mallinnus ja kokeellinen toiminta, joka näyttää, miltä tulevaisuuden voimalaitos voisi näyttää.

Varastokapasiteettia voidaan mallintaa Projektissa on panostettu merkittävästi myös energiajärjestelmän dynaamiseen mallinnukseen. Lappeenrannan teknillisen yliopiston professori Christian Breyer mallintaa VTT:n tutkijoiden kanssa tuntitasolla sitä, paljonko eri puolilla maailmaa on aurinko- ja tuulienergian tuotantoa sekä muuta tuotantoa, miten ne voivat tasapainottaa toisiaan ja milloin varastointia ja siirtoa tarvitaan.

Kun malliin tuodaan mukaan liikenteen lisäksi myös teollisuus, syntyy kuva siitä, paljonko erilaisia toimintoja tarvitaan ja miltä uusi energiajärjestelmä näyttää.

VTT Impulse 73

Pasi Vainikan visiossa energiantuotanto toimii eräänlaisessa suljetussa kierrossa.

Energian varastointimarkkinoilla paljon pelipaikkoja Climate Leadership Councilin toiminnanjohtaja Jouni

”metaani riittäisi suomen koko liikenteen käyttöön.”

– Tulevaisuuden voimalaitos ei vain tuota energiaa, vaan voi ottaa sitä myös sähköverkosta ja varastoida sen ja tuoda tarvittaessa sen takaisin. Neo-Carbon Energy -järjestelmässä energian­tuotanto toimii eräänlaisessa suljetussa kierrossa hiilidioksidipäästöjä hyväksi käyttäen, Vainikka visioi.

Hiilidioksidista voidaan valmistaa myös muuta kuin energiatuotteita, vaikkapa synteettisiä materiaaleja.

Suomen sellutehtaat voisivat tuottaa uusiutuvalla sähköenergialla hiilidioksidipäästöistään hiilivetyjä. Näin saatu polttoaine, esimerkiksi metaani, riittäisi erinomaisesti Suomen koko liikenteen käyttämiseen, joka kuluttaa vuodessa noin 55 terawattituntia. Näin nykyinen ajoneuvo­kanta voitaisiin muuntaa epäsuorasti uusiutuvalle sähkölle, sillä polttomoottori­autot voidaan muuntaa yksinkertaisella lisäsarjalla kaasuautoiksi. Metaania voitaisiin myös viedä Keski-Eurooppaan. n 74 VTT Impulse

Keronen toteaa, että sääilmiöitä tasapainottamaan tarvitaan kysynnän joustoa tai energian varastointia.

Energiamarkkinoiden pullonkaulaan, energianvarastointiin, kehitetään ratkaisuja Neo-Carbon Energy -hankkeessa.

Climate Leadership Council on tänä vuonna Sitran ja useiden suomalaisyritysten perustama yhdistys, joka haastaa Suomea nopeampiin toimiin ilmastonmuutoksen torjunnassa.

– Jouston toteuttamiseksi tarvitaan älykkäitä sähkö­ verkkoja. Myös energian varastoinnin ja varastojen purun pitää tapahtua nopeasti, ja tähänkin tarvitaan älykkäitä sähköverkkoja, Keronen sanoo.

Neo-Carbon Energy -hanke avaa suomalaisille yrityksille mahdollisuuksia pienistä palveluyrityksistä suuriin energia-alan toimijoihin. Keronen uskoo, että tulevien ratkaisujen tarve on iso ja että osallistuvien yritysten määrä lisääntyy matkan varrella.

– Energian varastointimarkkinat ovat kehittymättömät ja pelipaikkoja siellä on vaikka kuinka paljon, Keronen sanoo.

Läheistä yliopistoyhteistyötä

Lappeenrannan teknillisen yliopiston professori Christian Breyer sanoo, että Neo-Carbon Energy -hanke kattaa koko arvoketjun. Siinä selvitetään paitsi tulevaisuuden energiajärjestelmiä ja energian tuotantoa myös loppukuluttajien näkemyksiä. Selvitettävä aikajänne ulottuu vuosisadan puoliväliin asti, sillä energiajärjestelmät ovat käytössä monia vuosikymmeniä.

– Projektin työpaketeissa yliopisto tekee läheistä yhteistyötä VTT:n kanssa. Haemme kestävän kehityksen mukaista energiaratkaisua, jossa otetaan huomioon niin kustannustehokkuus kuin eri energiamuodot ja energiaturvallisuuden lisääminen. Hanke on tärkeä Suomelle, etenkin jos suomalaiset yritykset kykenevät kaupallistamaan siinä tutkittavaa teknologiaa, Breyer arvioi.

Projektissa tutkitaan sähkön varastointia metaanina. Breyerin mukaan metaani tarjoaa mielenkiintoisen mahdollisuuden myös liikenteen polttoaineeksi. Uudistuvana polttoaineena se on kestävämpi vaihtoehto kuin fossiilinen bensiini, eikä kehittyvästä akkuteknologiasta huolimatta akkuja voida ottaa käyttöön esimerkiksi meriliikenteessä tai pitkän matkan kuljetuksissa.

Rinteenkulman kauppakeskus Rovaniemellä on ensimmäisiä pilottikohteita. Kauppakeskuksen johtajan Pekka Rinteen odotukset ovat korkealla.

Ihmisten jäljillä 76 VTT Impulse

liiketoiminta

Syvyyskameratekniikalla toimivan seurantajärjestelmän pilotoinnit kaupoissa ja senioriasunnoissa osoittavat, että järjestelmän avulla kerättävistä tiedoista hyötyy moni.

Teksti Riitta Niskanen Kuvat Henry Kestilä

U

udessa, VTT:n kehittämässä ihmisten seurantajärjestelmässä pyritään erottamaan ihmiset muista liikkuvista objekteista ja seuraamaan heidän liikkeitään.

– Kehittämämme syvyyskamera perustuu samanlaiseen ratkaisuun kuin mitä ensimmäisissä Microsoftin Xboxin Kinect-kameroissa käytettiin eleohjaukseen. Sen avulla voidaan mallintaa tilaa kolmiulotteisesti ja seurata liikkuvia objekteja, selvittää VTT:n erikoistutkija Sari Järvinen.

Esimerkiksi kaupassa pystytään tunnistamaan ihmishahmot ja seuraamaan heidän liikkumistaan.

– Henkilöllisyyttä sen ei ole tarkoituskaan tunnistaa. Syvyysdatasta analysoitu tieto tulee koordinaatteina, ei kuvatallenteena, Järvinen sanoo.

Seurantajärjestelmän tärkeimmät osat ovat syvyyskamera (infrapunalaser, valoherkkä kenno, kolmiulotteista kuvaa koostava prosessori), syvyystietoa käsittelevä ohjelmisto sekä käyttäytymistietoa analysoiva palvelu.

Ihmiseen – tai suureenkin määrään ihmisiä – osuessaan syvyyskameran valo tuottaa jokai-

sesta ihmisestä pistekuvion. Kameran kennossa kuvio muuttuu sen mukaan miten ihminen liikkuu. Laitteen ohjelma päättelee, missä kohdassa ihminen on ja mitä hän tekee.

– Järjestelmää voidaan hyödyntää monilla eri aloilla. Ensimmäisenä uskon sen tulevan käyttöön kaupan alalla, jossa ollaan lähimpänä valmista tuotetta, tutkija arvioi.

Ennen kuin käsissä on valmis kaupallinen tuote on vielä tehtävää.

– Perusseurantajärjestelmä on nyt valmis.

Sen päälle tulevia palveluja vielä kehitetään eri sovellus­alueille, Järvinen täsmentää.

Avuksi toiminnan optimointiin Syvyyskameratekniikan toimivuutta on kokeiltu viime toukokuusta lähtien kauppakeskus Rinteenkulmassa Rovaniemellä.

– Seitsemän sensorin installaatio on kauppa­ keskuksen käytävällä, jossa on paljon liikennettä ja iso osa ihmisistä menee reipasta vauhtia oli. Nyt perusseurantajärjestelmän tekniikka on tähän valmis. Seuraavaksi kehitämme analysointityökalua kaupan tarpeisiin, Sari Järvinen toteaa.

Syksyllä 2013 VTT pilotoi järjestelmää Anttilan naistenvaateosastolla Oulussa. PilotoinVTT Impulse 77

Sensorit seuraavat ihmisvirtaa kauppakeskuksessa.

nissa järjestelmän tuottama reaaliaikainen tieto oli yhdistetty älykkääseen valaistusohjaukseen.

– Kokeilimme, voidaanko valolla vaikuttaa asiakkaiden käyttäytymiseen. Seurasimme ihmisten käyttäytymistä staattisessa valossa, dynaamisessa valkoisessa valossa sekä dynaamisessa värillisessä valossa. Kolmas eli dynaaminen värillinen valo houkutteli eniten ihmisiä paikalle.

Laajemmin ajateltuna kaupan ala voi Järvisen mukaan hyötyä ihmisten seurantajärjestelmästä monin tavoin ja optimoida siten toimintaansa.

– Kauppaketjun johtotasolle se voi tarjota paljon tietoa ihmisten käyttäytymisestä eri tasoilla.

Jos ketjun eri myymälöiden asiakasmäärissä on isoja eroja mutta myyntivolyymi sama, voidaan miettiä onko tuotteiden esillepanossa jotain korjattavaa. Kaupan markkinointikampanjassa pystytään seuraamaan, lisääntyykö liikenne kampanjatuotteiden ympärillä.

Toimitilat tehokäyttöön Kauppa ei ole ainoa yritysala, joka voi hyödyntää syvyyskameratekniikkaa.

– Investoinnit toimitiloihin ovat yleensä iso kustannus yrityksille. Järjestelmällä voidaan seurata tilojen käyttöä, Järvinen selventää.

Yrityksissä on paljon yhteiskäytössä olevia tiloja, esimerkiksi isoja neuvotteluhuoneita. ”People trackerilla” voidaan seurata tilojen käyttö­ astetta.

78 VTT Impulse

– Neuvottelutilaan voi olla paljon varauksia ja se näyttää olevan vilkkaassa käytössä. Seurannassa saatetaan nähdä varauksia jäävän käyttämättä. Tai huomataan tiloja käytettävän pääasiallisesti 1–2 hengen puhelinneuvotteluihin, vaikka tilaan mahtuisi 20 ihmistä. Silloin voidaan miettiä, voidaanko neuvottelutilaa jotenkin muuttaa.

Yrityksessä, joissa on erityyppisiä työpisteitä yhteiskäytössä, voidaan seurata millaiset työ­ pisteet ovat oikeasti käytössä, mitkä eivät.

Turvallisuutta senioriasukkaille Syvyyskameratekniikka mahdollistaa myös uudenlaiset yksin asuville vanhuksille suunnatut turvapalvelut. Niistä hyötyvät niin ikäihmiset itse kuin omaiset ja kotisairaanhoitokin.

– Vanhusta voidaan seurata järjestelmällä pidemmän aikaa ja löytää tyypilliset käyttäytymismallit. Sen avulla varmistetaan, että hän pärjää omillaan. Muistisairauksia on helppo peitellä lyhyillä vieraskäyneillä, jolloin ne saattavat jäädä omaisilta huomaamatta. Tavoitteenamme on tutkia, miten järjestelmän keräämää käyttäytymistietoa voidaan käyttää hyväksi, Järvinen toteaa.

Ihmisten seurantajärjestelmää on jo pilotoitu yhdessä senioriasunnossa.

– Järjestelmällä pystytään havaitsemaan muutokset vanhuksen käyttäytymisrutiineissa ja

Rinteenkulmassa odotukset korkealla

päättelemään mahdolliset ongelmat. Jos yhtenä aamuna ei olekaan poikkeuksellisesti kymmeneen mennessä keitetty kahvia eikä kukaan ole mennyt keittiöön, voidaan ajatella jotain tapahtuneen, tutkija kertoo.

Tavoitteena on, että jos vanhuksen rutiineissa havaitaan muutoksia, tieto siitä menee nopeasti eteenpäin ja se tarkistetaan, tarvitseeko vanhus apua.

Ihmisten seurantajärjestelmä ei häiritse senio­ riasukkaan elämää millään tavalla. Hänen ei tarvitse pitää mukanaan minkäänlaista turvalaitetta eikä tehdä mitään toimenpiteitä. Kamera seuraa huomaamattomasti normaalia päivä­ elämää eli tapahtumia esimerkiksi vain olohuoneessa ja keittiössä.

Kotisairaanhoito voi helposti seurata vanhuksen selviytymistä ottamalla tietokoneen selaimella yhteyden järjestelmään. Jos ikäihmisen kotona ei ole liikuttu normaaliin tapaan, järjestelmä voi myös hälyttää kotiavun tarkastuskäynnille.

– Ihmisten seurantajärjestelmän kehitystyö on ollut todella mielenkiintoista. Pilotoinneissa olemme saaneet erilaisia mielipiteitä ja arvokasta käytännön tietoa siitä, miten kehittää järjestelmää edelleen, Sari Järvinen summaa. n

Rinteenkulman kauppakeskuksessa Rovaniemellä on pilotoitu ihmisten seurantajärjestelmää noin puolen vuoden ajan. Testattavana on ollut tekniikka, eikä järjestelmä ole vielä ehtinyt tuottaa varsinaista dataa.

Kauppakeskuksen johtajan Pekka Rinteen odotukset ovat kuitenkin jo korkealla.

Järjestelmän pilottiasema on sijoitettu kauppakeskuksen käytävälle. Syvyyskamera tunnistaa sillä liikkuvien ihmisten liikkeet, rekisteröi miten he etenevät ja mikä kauppakeskuksessa näyttää herättävän mielenkiintoa.

Lopputuloksena on mahdollista saada paljon arvokasta tietoa, jonka käyttömahdollisuudet saavat Pekka Rinteen innostumaan.

– Kun toteutamme kauppakeskuksessa kampanjan tai toimenpiteen, näemme, kiinnostaako se ihmisiä ja pysähtyvätkö he esimerkiksi katsomaan mainosta.

Yleensä seurataan vain myyntiä eli miten kassat kilisevät. Se ei välttämättä kerro onnistumisesta. Onnistunut kampanja voi poikia myyntiä myöhemmin, hän toteaa.

Yksittäisessä myymälässä järjestelmä kertoo, pysähtyvätkö asiakkaat katsomaan kampanja­tuotteita.

Tai kun myymälässä muutetaan hyllyjärjestystä, kauppias saa tietoa, onko uusi järjestys kiinnittänyt huomiota ja osoittautunut toimivaksi.

– Etenkin ruoka-, vaate- ja urheilukaupoissa voidaan vaihdella tavaroiden paikkoja päivittäin ja testata näin, mikä järjestys on hyvä, Rinne sanoo.

Rinteenkulman johtaja on varma, että kauppakes­ kuksen myymälät tulevat kiinnostumaan järjestelmästä.

– Esimerkiksi palvelupainotteisessa ­urheiluliikkeessä on varmasti mielenkiintoista tietää, miten asiakas liikkuu myymälän sisällä ja milloin hän kaipaa ­palvelua.

Yleensä myyjän pitää aavistaa, milloin asiakas haluaa palvelua ja milloin hän haluaa jatkaa katselua. Järjestelmä voi ilmaista, milloin asiakas on kiinnostunut saamaan tuotteesta lisää tietoa ja kaipaa palvelua.

Kauppakeskuksen päällikkönä Pekka Rinnettä kiinnostaa myös järjestelmän keräämä tieto siitä, mitkä myymälät ovat oikeasti vetovoimaisia.

– Mietimme koko ajan, mitä liikkeitä on missäkin, tarvitaanko vielä jonkun alan kauppoja, onko jotain liikaa.

Rovaniemen ytimessä sijaitsevassa Rinteenkulman kauppakeskuksessa kirjataan vuosittain 3,7 miljoonaa kävijää. He tekevät 2,1 miljoonaa ostosta 47 miljoonan euron edestä.

VTT Impulse 79

Älykäs spektrisensori on saatu kutistettua hyvin pieneksi.

Laitteet valon aallonpituuden paljastavat sisällön

kämmenen kokoisiksi Jarkko Antila on älykkäitä spektrometrejä valmistavan Spectral Enginesin tuore toimitusjohtaja.

Matka alkoi avaruusteknologian opinnoista Otaniemessä.

Teksti Milka Lahnalammi-Vesivalo Kuvitus iStockphoto

80 VTT Impulse

Tuhat kertaa pienempi ja sata kertaa halvempi Spektrisensoria voidaan käyttää vaikkapa elintarvikkeiden, paperin tai polttoaineseoksen koostumuksen selvittämiseen prosessin aikana.

Laitteen etuna onkin sen edullinen hinta ja pieni koko.

– Esimerkiksi elintarviketeollisuudessa saa meidän laitteilla varustettua koko linjan samalla hinnalla kuin mitä yksi perinteinen laite maksaa, Antila toteaa.

Antilan mukaan laitteen hinta tulee kertoimella sata ja laitteen koko kertoimella tuhat alaspäin laboratoriolaitteisiin verrattuna, kun

tuotantomäärät nousevat. Salaisuutena on se, että säädettävän suodattimen vuoksi valo voidaan ohjata yhteen pisteeseen, jolloin voidaan käyttää edullista yhden pisteen infrapunailmaisinta, eikä laitteeseen vaadita kokoa kasvattavaa jäähdytystä tai monimutkaista optiikkaa. Lisäksi laite on helpompi tehdä vankkarakenteiseksi ja kestäväksi.

Tällä hetkellä tuotantomäärät ovat vielä pienehköjä, mutta tavoitteena on saada asiakkaita, jotka tilaavat tuhansia laitteita vuodessa. Siksi kaikki tuotanto on rakennettu alusta pitäen helposti ylöspäin skaalautuvaksi.

liiketoiminta

Ä

lykkäitä spektrisensoreita valmistava Spectral Engines irrottautui VTT:ltä kesällä 2014 spin-off-yritykseksi.

– Kaikilla materiaaleilla on sormenjälki, josta ne tunnistaa. Meidän teknologialla mittaamiseen tarvittavat isot laboratoriolaitteet saadaan kutistettua kämmenkokoon, yrityksen toimitusjohtaja Jarkko Antila kertoo.

Materiaalin sormenjäljen tunnistaminen perustuu sen heijastamien valon aallonpituuksien tunnistamiseen. Spectral Enginesin laitteissa on korvattu perinteinen spektrometri pienen infrapunasuotimen sekä ilmaisimen yhdistelmällä. Järjestelyllä voidaan toteuttaa älykäs spektrisensori, jossa tietyllä säädöllä valitaan tietty valon aallonpituus suotimen läpi tuodusta valosta.

– Mitattavat aallonpituudet valitaan tutkittavan materiaalin mukaan laitteeseen liitetyllä ohjelmistolla, eli käyttäjän ei tarvitse tuntea spektrometriaa, Antila kertoo.

Tavoitteena kasvu Spectral Engines tilaa laitteen osat alihankkijoilta ja keskittyy itse laitteen kehittämiseen ja valmistamiseen sekä ohjelmistoihin. Pienessä yrityksessä on alusta asti ollut ajatuksena keskittää omat voimat siihen, missä ollaan itse hyviä ja ostaa loput alihankkijoilta.

– Tähtäämme kymmenien miljoonien liikevaihtoon. Rakennamme kasvavaa kansain­välistä yritystä.

Tällä hetkellä Spectral Enginesissä toimii neljä VTT-taustaista perustajajäsentä sekä yksi ulkopuolelta palkattu sovellusinsinööri: Jarkko Antila vastaa kokonaisuudesta toimitusjohtajana, Janne Suhonen markkinoinnista, myynnistä ja liiketoiminnankehityksestä, Uula Kantojärvi teknologian kehityksestä ja Jussi Mäkynen systeemisuunnittelusta.

Ensimmäinen palkattu työntekijä Matti Tammi aloitti syksyllä sovelluskehittäjänä asiakasrajapinnassa, ja lisäksi Joachim Mannhardt toimii Saksassa sovellusten ja liiketoiminnan kehittäjänä.

”käyttäjän ei tarvitse tuntea spektrometriaa.”

VTT Impulse 81

Kuva: Kari Likonen

Jarkko Antila

Tuotantomäärien kasvaessa myös tuotantoon on tarkoitus palkata työntekijöitä.

Avaruusteknologiasta Ahvenanmaalle Jarkko Antila opiskeli aikanaan Otaniemessä Teknillisessä korkeakoulussa avaruusteknologiaa ihan vain siksi, että se kuulosti kiinnostavalta. 90-luvun lopulla hän huomasi laitoksen ilmoitustaululla lapun, jossa VTT:n avaruustekniikan ryhmä haki kesätyöntekijää, mutta hakuaika oli jo mennyt umpeen. Antila päätti kuitenkin laittaa sähköpostia paikasta ja päätyi VTT:lle.

– Sen jälkeen työ alkoikin ohjaamaan opintoja. Olin lopulta VTT:llä kolme vuotta tutkijana kehittämässä anturiratkaisuja.

Eräässä projektissa asiakas lähestyi Antilaa ja pyysi häntä tuotekehityspäälliköksi INFICONiin Ahvenanmaalle, missä Jarkko viihtyikin kolme vuotta. Sen jälkeen hän palasi tiiminvetäjäksi VTT:lle neljäksi vuodeksi, kunnes alkoi keskittyä pelkästään Spectral Enginesin synnyttämiseen.

82 VTT Impulse

Taskukokoinen laite syntyy VTT:n spektrometriosaamista kehitettiin jo vuosituhannen vaihteessa Vaisalan ilmanlaatu­ antureiden parissa sekä Euroopan Avaruus­ järjestö ESA:lle tehtävässä työssä. Vuonna 2008 alettiin kehittää Continentalille polttoainesensoreita autoihin, ja samaan aikaan tehtiin uusia keksintöjä mikrosysteemi- eli MEMS-sirun rakenteisiin. Tästä aukesivatkin uudet kehityskohteet.

– Teimme tiivistä yhteistyötä sirukehittäjien kanssa. Katsottiin, että messujen osastoilla on aina hirveän isoja demohärveleitä, ja päätimme tehdä itse taskukokoisen sekä helppotoimisen laitteen, joka liitetään USB:llä tietokoneeseen, Antila kertoo.

Tämä filosofia osoittautui VTT:llä erittäin menestyksekkääksi, sillä muutkin kuin asiantuntijat ovat helposti voineet ottaa demolaitteen taskuunsa ja esitellä sitä asiakkaille messuilla ja tapaamisissa.

Tämän kehityksen pohjalta syntyivät myös ensimmäiset Spectral Enginesin tuotteet.

VTT:n keksinnöstä tuotteeksi Koska VTT ei voinut viedä hyvin alkanutta kehitystyötä enää pidemmälle sovelluksiin asti, ja toisaalta keksintö ei ollut vielä riittävän valmis yrityksille, syntyi idea Spectral Enginesin perustamisesta. Vuoden 2012 lopussa haettiin Tekesin TUTL-rahoitusta teknologian kaupallistamiseen.

– Saimme merkittävän rahoituksen ja pystyimme käyttämään aikaa riittävästi markkina­ tutkimukseen teknologiakehityksen ohessa.

Saimme aikaiseksi yrityskonseptin ja tuotteen prototyypin asiakkaille pilotoitavaksi.

Spectral Enginesin aloittaessa toimintansa kesäkuussa sillä olikin jo asiakkaita, jotka olivat testanneet laitetta ja antaneet siitä palautetta.

Seuraavaksi Spectral Engines tähtää Saksan ja Yhdysvaltain markkinoille. Suomeen Antila toivoo enemmän yhteistyötä alan toimijoiden kesken.

– Eri firmoilla ja liiketoiminta-alueilla on erilaiset toimintatavat. Esimerkiksi VTT:n vetämät yhteishankkeet auttavat yhteistyön rakentamisessa, Antila toteaa. n

VTT

VTT on Pohjois-Euroopan suurin soveltavaa tutkimusta tekevä organisaatio, joka tuottaa monipuolisia teknologia- ja tutkimuspalveluja sekä kotimaisille että kansainvälisille asiakkailleen, yrityksille ja julkiselle sektorille. Laaja-alaista osaamista yhdistämällä VTT voi auttaa asiakkaitaan ja yhteistyökumppaneitaan luomaan uusia tuotteita, tuotantoprosesseja ja -menetelmiä sekä palveluja ja näin lisätä elinkeinoelämän kansainvälistä kilpailukykyä sekä yhteiskunnan hyvinvointia. Laajan kotimaisen ja kansainvälisen yhteistyön ja verkostoitumisen avulla VTT varmistaa tiedon ja teknologian tehokkaan siirron ja hyödyntämisen.

VTT Impulssi on julkaisu tieteestä, teknologiasta ja liiketoiminnasta. Se ilmestyy kaksi kertaa vuodessa suomeksi ja englanniksi.

Julkaisija: VTT, Vuorimiehentie 3, Espoo PL 1000, 02044 VTT. Puhelin 020 722 111.

Päätoimittaja: Olli Ernvall, puh. 020 722 6747.

Toimitusneuvosto: Erkki KM Leppävuori, Olli Ernvall, Matti Apunen / EVA, Anu Kaukovirta-Norja, Satu Helynen, Arto Maaninen, Sami Kazi, Howard Rupprecht, Paula Bergqvist Toimitus ja ulkoasu: MCI Press Oy. Paino: Grano Oy, Jyväskylä 2014.

Tilaukset ja osoitteenmuutokset: info@vtt.fi.

ISSN 1798-0119. Julkaisussa esitetyt mielipiteet ovat haastateltavien esittämiä eivätkä välttämättä vastaa VTT:n kantaa.

ORGANISATION CERTIFIED BY

MCI

Vastaa ja voita Jollan puhelin!

2/2014

VTT

N Ä K EE

i kanavista:

Seuraa VTT:tä er

ERA SYV YYSKAM

SE NÄN TA AK LIIKEHDIN

TIEDE – Robotiikka ien mahdollisuuks tekniikka

TEKNO LOGIA Tulevaisuuden sensori

LIIKET OIMIN

TA

nen Laitteet kämme kokoisiksi

VTT www.vtt.fi

Kerro mielipiteesi lehdestä ja osallistu arvontaan.

Kolmen askeleen polku verkkokyselyyn 1. Mene osoitteeseen www.mcipress.fi /impulssi.

2. Merkitse numerosarja 785362 3. Tämän jälkeen pääset lukijakyselyyn klikkaamalla lähetä-painiketta.

Lukijakyselyyn voi vastata kahden viikon sisällä lehden ilmestymisestä. Kyselyyn voivat osallistua kaikki MCI Press Oy:n tuottamien lehtien lukijat. Voit osallistua kyselyyn jokaisen ilmestyvän numeron yhteydessä, mutta vain yhdellä vastauksella lehden numeroa kohden. Kysely ja arvonta koskevat lehtiä, jotka ilmestyvät syyskaudella 2014. Palkinnon arvontaan osallistuvat kaikki vastanneet. Palkinto arvotaan 2.1.2015. Voittajalle ilmoitetaan sähköpostitse tai kirjeitse.

Facebook facebook.com/VTTFinland Twitter @VTTFinland VTT Blog

VTT Blog vttblog.com Youtube youtube.com/VTTFinland Slideshare slideshare.net/VTTFinland VTT Impulse 83

Pk-yritykset - tehdään yhdessä tulevaisuutta nyt!

Rakennamme yhdessä pk-yritysten kanssa alla olevista teemoista kehityshankkeita, joilla vauhditamme tulevaisuuden kasvua ja menestystä jo tänään.

TEEMAT Lähde mukaan 8.10. – 28.11.2014: • Kannattavaa kasvua palveluliiketoiminnasta • Kulutusta kestävät komponentit – käyttöikää ja ennakoitavuutta Pian aukeavia uusia teemoja: 3D-tulostus tuotekehityksen tukena ja piensarjojen valmistuksessa Polku perustuotteesta teollisen internetin älytuotteeksi Voit vaikuttaa myös tuleviin teemoihin.

Löydä yrityksellesi sopivat teemat ja ilmoittaudu mukaan! www.vtt.fi/pk_projektilahdot Ota yhteyttä!

Risto Kuivanen Liiketoiminnan kehityspäällikkö Puh. 040 511 6699 risto.kuivanen@vtt.fi

Harri Airaksinen Asiakas- ja markkinointijohtaja Puh. 040 504 1215 harri.airaksinen@vtt.fi