Jaakko Palosaaren väitöstutkimus osoitti, että kantapään liike-energian muuntaminen sähköksi onnistuu myös käytännössä. Sovellusmahdollisuudet uusille energiankeräystekniikoille ovat lähes rajattomat.
Jaakko Palosaari
Kuvaaja
Teija Soini
Kirjoittaja
Petja Partanen

Sähköä lenkkareista

Elektroniikka ja anturit tunkevat joka paikkaan, mutta mistä voimanlähde, joka ei vaadi päivittäistä latausta?

Mekaanista liikettä sähköksi muuntavat pietsosähköiset materiaalit ovat nyt ennätyksellisen tutkimuskiinnostuksen kohteena. Vuosituhannen alussa niiden hyödyntämistä tutkittiin vuosittain vain kourallisessa tutkimuspapereita, nyt papereita julkaistaan tuhansia joka vuosi. Selitys on elektroniikan kehitys ja halu korvata ulkoiset energianlähteet järjestelmiin integroiduilla energiakeräimillä.

– Nykyisin osataan tehdä erittäin vähän virtaa kuluttavia laitteita. Samaan aikaan monitorointi on tullut joka paikkaan, ja erilaisten antureiden hinta on romahtanut, kertoo Oulun yliopiston tutkija Jaakko Palosaari

Energian harvestointi, eli kerääminen ympäristöstä, ei ole uusi ajatus. Aurinkokennokäyttöinen laskin on toimiva esimerkki siitä, miten hankkiutua eroon alati tyhjenevistä paristoista. Palosaaren väitöstyössään rakentamaa, kenkiin piilotettua pietsosähköistä energiakeräintä ei sen sijaan vielä ole nähty käytännön sovelluksena. 

– Se voisi tuottaa sähköä vaikkapa palomiesten, kemian tehtaan työntekijöiden tai sotilaiden kenkiin integroiduille kaasuantureille, Palosaari ehdottaa. 

Energiaa on tarjolla runsaasti, sillä jo kävelyvauhdissa kantapään alla vaikuttavat suuret voimat. Matalataajuisen värähtelyn energian talteenotto vain on erittäin hankalaa. Palosaaren väitöskirjan tutkimusongelma olikin tarkasti rajattu. Tavoitteena oli kehittää kenkään rakenne, jolla maksimoidaan kantapään alta talteen saatava energia. 

– Joka paikan sovelluksia ei pystytä tekemään. Pietsosähköisen materiaalin ominaisuudet ja mekaniikka pitää aina sovittaa juuri tiettyyn sovellukseen, Palosaari perustelee keskittymistään lenkkareihin.

Idea syntyi sotilasmaihareista

Tutkimusidea syntyi, kun nuori mikroelektroniikan tutkija oli mukana puolustusministeriön rahoittamassa energiankorjuun tutkimushankkeessa. Projektin kuluessa pohdittiin muun muassa sitä, saisiko sotilasmaiharien pohjasta kerättyä sähköä pienelektroniikan tarpeisiin.

Palosaari päätti ottaa asiasta selvää. Hän oli aiemmin tutkinut pietsosähköisiä aktuaattorirakenteita, joiden muoto muuttuu sähkökentän ohjaamana. 

– Tein aivan perustutkimusta siitä, millaista liikettä eri rakenteilla saadaan aikaiseksi.

Energian keruussa pietsosähköistä ilmiötä hyödynnetään toisin päin. Palosaari lähti väitöstyössään liikkeelle toimiviksi osoittautuneista aktuaattorirakenteista. 

– Kukaan ei ollut tutkinut, olisiko lautas- vai kalvomallinen energiakeräin tehokkaampi. Väitöstyö osoitti kalvorakenteen paremmaksi.

Väitöskirjan kaksi ensimmäistä paperia käsittelivät lautasmallisen energiakeräimen optimaalista rakennetta. Palosaari kehitti myös ihmisen kävelyä imitoivan mäntärakenteen, jolla pystyttiin tutkimaan juoksutyylin ja -nopeuden vaikutusta energian keruun tehokkuuteen. 

Väitöstyön parhaiksi papereiksi nousivat kuitenkin kaksi viimeisintä, joissa Palosaari perehtyi kalvorakenteisiin energiakeräimiin. Kalvoja voidaan pakata päällekkäin, jolloin hyötysuhde saadaan paremmaksi. 

– Parhaaksi sähköntuottajaksi osoittautuivat monikerroksiset kalvorakenteet. Lopullisessa versiossa niitä oli neljä kerrosta päällekkäin, Palosaari kertoo.

Väitöskirjan suuri oivallus on kalvojen esijännitys.

Papereissa esiteltiin myös Palosaaren väitöskirjan suuri oivallus, kalvojen esijännitys. 

– Kun pietsosähköinen materiaali esijännitettiin, parani kalvon energiantuotto yli 70 prosenttia, ja voimaa tarvittiin vain puolet entisestä.

Esijännitystä on aiemmin käytetty erilaisissa aktuaattorirakenteissa. Niihin verrattuna Palosaaren esijännitysratkaisu oli todella yksinkertainen – mekaaninen teräsjousi.

Vaikka yksikertaisuus oli kunniassa, oli lopullisessa nelikerroksisessa energiakeräinrakenteessa yli 30 komponenttia, pietsosähköisenä kalvona toimivista lyijyzirkonititanaattilevystä aina messinkisiin johdinkerroksiin ja kerroksia toisistaan erottaviin teräs- ja muovikiekkoihin.

Tuplasti parempi

Tutkija Jaakko Palosaari törmäsi pietsosähköiseen ilmiöön ensi kerran grillin sytytintä painaessaan. Tulevaisuudessa pietsomateriaalien visioidaan keräävän energiaa vaikkapa ihmiskehosta sydämentahdistimen tarpeisiin.

Lopullinen testi tapahtui juoksumatolla, kun Palosaari veti jalkaansa itse rakentamillaan energiakeräimillä varustetut juoksukengät. Tulokset olivat vakuuttavia. 12 kilometrin tuntivauhdilla Palosaaren jalka iskeytyi juoksumatolle noin kerran sekunnissa, ja tossuista saatiin irti yli 6 mW:n keskiteho. Sillä sähköistää helposti vaikka kaasuanturin, ja lähettää datan langattomasti eteenpäin. Palosaaren energiakeräimen tuottama energiatiheys oli yli kaksi kertaa parempi kuin tutkijoiden aiemmat yritykset.  

Askelenergian keruu on vain yksi esimerkki pietsosähköisten materiaalien hyödyntämiskohteista. Väitöstyön tutkimuspaperit ovat jo muutaman vuoden takaa. Tätä nykyä Palosaaren tutkimus on kohdistunut kävelyä korkeataajuisempaa värähtelyyn.

– Nyt tutkitaan paljon energian keruuta pyörivästä liikkeestä tai värähtelyistä.

Oulun yliopiston mikroelektroniikan laboratorioon on karttunut hyvää tutkimusosaamista alalta. 

– Meillä on nyt kuusi kaveria energian harvestoinnin kimpussa. 

Yksi kollegoista on materiaaliekspertti Yang Bai, jonka kehittämä KNBNNO-materiaali kerää energiaa samaan aikaan niin valosta, lämmönvaihtelusta kuin tärinästä. 

– Olemme tehneet tutkimusta yhdessä. Hän kehittää materiaalia, minä mekaniikkaa siihen ympärille, kolmas kollega mallintaa.

Jaakko Palosaaren tie tekniikan tohtoriksi

  • 1979. Jaakko Palosaari syntyy Keminmaalla.
  • 1999. Sähkötekniikan opinnot alkavat Oulun yliopistossa. – Mittaustekniikka oli opinnoissa ykkösjuttu, Palosaari sanoo.
  • 2006. Optoelektronisia mittauksia käsitellyt diplomityö valmistuu, samoin Palosaari. 
  • 2007. Töihin mikroelektroniikan laboratorioon. – Tein diplomityön naapurilaboratoriossa ja kuulin, että tänne haettiin kaveria, joka osaa mitata.
  • 2011. Ensimmäiset kokeilut jalkineiden energiankeruusta, väitöstyö saa otsikon.
  • 2017. Palosaaren mikroelektroniikan alan väitöstyö Energy harvesting from walking using piezoelectric cymbal and diaphragm type structures hyväksytään Oulun yliopiston tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa.

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
Mukavahan se olisi nähdä, että väitöstyön tulokset etenisivät käytäntöön eivätkä jäisi perustutkimuksen tasolle. Toivottavasti joku näistä meidän yritysprojekteista ottaa tuulta alleen.

Suosikkileikkikalu? 
Specialized Tarmac -maantiepyörä.

Lempiharrastus? 
Pyöräily. Olen hurahtanut pyöräilyyn, kun paikat eivät enää kestä jalkapalloa tai salibandyä. Kävin viime kesänä ikämiesten SM-kisoissa kokeilemassa hapenottokykyä. Pääsin maaliin pää­porukan perässä. Ensi kesänä uudelleen.

Oulun yliopiston mikroelektroniikan tutkija Jaakko Palosaari onnistui kaksinkertaistamaan kantapään alle piilotetun energiankeräimen sähköntuoton.

Ensimmäisenä teollisuuden kunnonvalvontaan

Tutkijan työ mikroelektroniikan laboratoriossa energiankeruun parissa jatkui myös väitöstyön valmistumisen jälkeen. Kehityskumppaneina on nyt useampi yritys teollisuuden eri aloilta.

– Kaikki haluaisivat jonkinlaisen energiakeräimen, Palosaari kertoo. 

Palosaari veikkaa, että ensimmäiset pietsosähköisen energiankeruun sovellukset nähdään juuri koneiden kunnonvalvonnassa.

– Tuotantolaitosten seisokit ovat kalliita. Jos koneiden huollontarvetta pystytään ennakoimaan, se on hyvä juttu.

Valvonnan anturitekniikka on jo olemassa, mutta sen yleistymistä teollisuusympäristöissä hidastavat tarvittavat sähkövedot ja datakaapelit. Pietsosähköisen energiankeruun avulla mittalaitteiden akut saadaan latautumaan koneiden tärinästä. Sähköä riittäisi myös mittaustulosten siirtämiseen langattomasti tehtaan tietojärjestelmiin. 

– Se olisi paljon kustannustehokkaampi ja luotettavampi ratkaisu.

Palosaari kehuu Oulun ylipiston osaamista energiankeruun alalla. 

– Pystymme tekemään sovellukset alusta loppuun: osaamme valita oikeat materiaalit sovelluksiin, meillä on koneet prototyyppien tekoon, mittalaitteet ja monen eri alan osaajia.

Milloin kaupalliset sovellukset ovat markkinoilla?

– Se on vain ajan kysymys. Olemme jo tehneet protoja ja testanneetkin niitä.

Tutkimustulosten kaupallistaminen kiinnostaisi myös Palosaarta, mutta yliopistolla taas kiehtoo tutkijan vapaus. Käsillä tekeminen on aina ollut sydäntä lähellä, ja tähänkin yliopisto tarjoaa hyvät mahdollisuudet. Tutkimushankkeissa prototyyppien rakentaminen lankeaa yleensä Palosaarelle. Väitöstyön lenkkitossun kantaan kätketty energiakerääjä oli sekin melkoinen hienomekaanisen askartelun taidonnäyte. 

– Mulla on työpaikalla sellainen hautausmaa, yksi kaappi täynnä kuopattuja vanhoja prototyyppejä.

Asiasana