Tampereen yliopiston professori Mika Valdenin johtamassa Ilmastonmuutos hallintaan aurinkopolttoaineiden tuotannolla -hankkeessa tutkitaan uusiutuvien aurinkopolttoaineiden tuottamista keinotekoisella fotosynteesillä hyödyntäen samoja periaatteita kuin luonnon fotosynteesissä, mutta huomattavasti tehokkaammin. Jane ja Aatos Erkon Säätiö on myöntänyt hankekonsortiolle 1 316 000 euron rahoituksen.

Hankkeessa ovat mukana Tampereen yliopiston fotoniikan tutkimusyhteisöön kuuluvat professori Mika Valdenin ja professori Mircea Guinan tutkimusryhmät. Molemmat tutkimusryhmät kuuluvat myös Suomen Akatemian rahoittaman lippulaivaohjelman Photonics Research and Innovation Flagship -konsortioon, joka aloitti toimintansa vuoden 2019 alusta.

Tutkimuksen tavoitteena on kehittää aurinkopolttoaineita tuottava teknologia aurinkoenergiavoimaloihin. Ilmakehästä talteen otetun hiilidioksidin annetaan reagoida veden kanssa erityisellä katalyyttisesti aktiivisella pinnalla auringonvaloa sitoen. Näin muodostuu hiilivety-yhdisteitä, kuten esimerkiksi metanolia.

– Aivan kuin luonnon fotosynteesissä, auringon energia varastoituu yhdisteiden kemialliseksi sidosenergiaksi – aurinkopolttoaineeksi, professori Mika Valden kertoo.

Nestemäistä aurinkopolttoainetta on helppo käyttää

Aurinkopolttoaineteknologialla torjutaan tehokkaasti ihmisperäistä ilmastonmuutosta keräämällä ilmakehästä hiilidioksidia ja käyttämällä se uusiutuvan energian tuottamiseen. Toisin kuin fossiilisten polttoaineiden tapauksessa, aurinkopolttoaineiden käyttö ei kasvata ympäristön hiilikuormaa. Nestemäistä aurinkopolttoainetta on myös helppo varastoida, kuljettaa sekä käyttää nykyisissä fossiilisia polttoaineita hyödyntävissä prosesseissa.

– Keinotekoiseen fotosynteesiin perustuva idea lähti liikkeelle ajatuksesta, kuinka valjastaa professori Guinan tutkimusryhmässä valmistettavat, huipputehokkaat sähköä tuottavat aurinkokennomateriaalit aurinkopolttoaineiden tuottamiseen, Mika Valden selittää.

– Ideassamme aurinkokennomateriaalien rooli on kerätä auringon energia ja muuttaa se muotoon, jota varsinainen veden ja hiilidioksidin välinen reaktio voi hyödyntää, Valden sanoo.

Käytössä Millennium-palkittu ALD-menetelmä

Tutkimushankkeen vaativin tieteellinen haaste liittyy aurinkokennomateriaalin päälle valmistettavaan erittäin ohueen titaanioksidikatalyyttikerrokseen, jolla on monta tärkeää roolia. Sen on suojattava aurinkokennomateriaalia toimintaympäristön haitallisilta vaikutuksilta, kuten korroosiolta. Auringonvalon on myös läpäistävä se suurella tehokkuudella. Sen on myös johdettava aurinkokennomateriaalissa valon vaikutuksesta syntyvät varauksenkuljettajat lävitseen, jotta ne voivat osallistua hiilidioksidin ja veden väliseen reaktioon katalyytin pinnalla. Lopuksi, pinnan katalyyttiset ominaisuudet on räätälöitävä niin, että sen katalysoima veden ja hiilidioksidin välinen reaktio on mahdollisimman tehokas ja tuottaa haluttuja reaktiotuotteita esim. metanolia.

Katalyyttikerros valmistetaan Mika Valdenin pintatieteen tutkimusryhmässä atomikerroskasvatusmenetelmällä eli ALD:llä.

– Millennium-palkitun ALD-menetelmän etuna on sen hallittavuus. Menetelmässä kerroksen kasvu on pintaohjattu prosessi eli kerrosrakenne kasvaa toisen päälle vasta, kun alla oleva kerros on valmis. Näin voidaan valmistaa erittäin tarkkarajaisia katalyyttikerrosrakenteita, professori Valden kuvailee.

Uusi aurinkopolttoaineteknologia soveltuu suoraan keskitettyä auringonvaloa hyödyntäviin aurinkoenergiavoimaloihin, joiden markkinat ovat vasta kehittymässä. Vuonna 2016 niiden arvo vastasi jo 2,67 miljardia dollaria. Hankkeessa saavutettavalla tieteellisellä läpimurrolla aurinkopolttoaineen tuotantoteknologia mahdollistaa huomattavat maailmanlaajuiset taloudelliset ja yhteiskunnalliset vaikutukset.

 – Hankkeeseemme sisältyy erittäin inspiroivia tieteellisiä haasteita sekä merkittävää tieteellistä läpimurtopotentiaalia. Sen tarjoama mahdollisuus vaikuttaa yhteiskunnalliseen, teknologiseen ja taloudelliseen murrokseen energiantuotannossa ja ilmastonmuutoksessa on huimaava.

– Olemme kaikki erittäin iloisia ja kiitollisia siitä, että Jane ja Aatos Erkon Säätiö päätti tukea tutkimustamme näinkin merkittävällä tavalla, Valden toteaa.