Hiilikuitua puusta tekevä tutkija sai miljoonarahoituksen

Edullisemmalle ja ekologisemmalle hiilikuidulle on kova tarve autoteollisuudessa, tietää tavoitellun ERC Starting Grantin saanut Michael Hummel.

(kuva: ERC rahoittaa uraauurtavaa huippututkimusta. Mitä uusien polkujen avaamiseen tarvitaan? – Monialaisuuden mahdollistava yhteistyö on ehdoton juttu. Meiltä löytyy puukemian ja puunjalostuksen osaajien lisäksi monenlaisia insinööritieteiden asiantuntijoita ja muiden tieteiden huippuja, Hummel sanoo. Kuva Mikko Raskinen / Aalto-yliopisto)

Aalto-yliopiston tutkijatohtori Michael Hummel on saanut European Research Councilin (ERC) noin 1,5 miljoonan Starting Grant -rahoituksen viisivuotiselle hankkeelle, jonka tavoitteena on pystyä valmistamaan puusta korkealaatuisia hiilikuituja.

Hiilikuituja hyödynnetään etenkin äärimmäisen vahvoissa ja keveissä komposiittimateriaaleissa, joilla korvataan raskaampia materiaaleja muun muassa lentokoneissa ja avaruusaluksissa. Käytön laajenemista muille aloille on jarruttanut kova hinta. Autoteollisuus esimerkiksi haluaisi tehdä kevyempiä ja siten vähemmän polttoainetta kuluttavia autoja, mutta perinteiset, synteettisestä polyakrylonitriili-nimisestä (PAN) polymeeristä valmistetut hiilikuidut ovat niihin vielä liian kalliita.

– Aikaisemmin vaihtoehtoa PAN:lle on etsitty puusta erotetusta selluloosasta tai ligniinistä, mutta niihin pohjautuvat hiilikuidut eivät ole kelvanneet teollisuuden käyttöön. Teknologiamme ansiosta voimme valmistaa nämä molemmat puun komponentit yhdistävää hybridikuitua hiilikuidun materiaaliksi. Se on paitsi PAN:ta edullisempi myös ekologisempi vaihtoehto, koska valmistusprosessi vie vähemmän energiaa ja kemikaaleja eikä uusiutuva materiaali kuluta maapallon öljyvaroja, Hummel selittää.

– Uskomme selluloosan ja ligniinin ominaisuuksien täydentävän ja vahvistavan toisiaan. Tavoittelemamme 2 GPa:n vetolujuus ja 200 GPa:n kimmokerroin ovat pienemmät kuin PAN-pohjaisilla hiilikuiduilla, mutta ne sopivat autoteollisuuden ja urheiluvälinevalmistajien tarpeisiin.

Ainutlaatuinen kehräysteknologia

Hybridikuitu tehdään Aalto-yliopiston professori Herbert Sixtan tutkimusryhmän Ioncell-F-kehräysteknologialla, jolla on aikaisemmin valmistettu laadukkaita tekstiilikuituja selluloosasta ja kierrätysmateriaaleista. Ioncell-F:ssä biomassa liuotetaan ensin Helsingin yliopiston professori Ilkka Kilpeläisen kehittämässä myrkyttömässä liuottimessa, minkä jälkeen liuos puristetaan märkäkehruumenetelmällä suuttimien läpi ohuiksi, jatkuviksi kuiduiksi.

– Kun aloitimme Ioncell-F:n kanssa, emme vielä osanneet ennakoida liuottimen potentiaalia. ERC-hankkeen alussa yhdistämme hybridikuituun selluloosaa ja ligniiniä ymmärtääksemme näiden kahden polymeerin vuorovaikutuksen. Myöhemmin tavoite on pystyä käyttämään puun rakenneosia lähes niiden alkuperäisessä muodossa, mikä vähentää hiilikuidun valmistukseen kuluvaa energiaa ja ympäristövaikutuksia entisestään, Michael Hummel kertoo.

Kehräämisen jälkeen kuidut siirretään uuneihin, joissa ne kuumennetaan hitaasti 1500 celsiusasteeseen. Prosessia kutsutaan hiillytykseksi, ja sen tuloksena jäljelle jää puhdasta hiiltä, joka muodostaa äärimmäisen vahvan kemiallisen rakenteen.

– Teemme hankkeessa yhteistyötä australialaisen Deakinin yliopiston kanssa. Heillä on käytössään useita erikokoisia hiillytyslinjoja ja hyviä kontakteja sopiviin teollisuuspartnereihin, mikä auttaa meitä saamaan nopeaa palautetta puupohjaisen hiilikuidun mahdollisuuksista, Hummel kiittelee.

www.aalto.fi