Millennium Youth Prize 2022

Haasteen antajan kuvaus

Professori Jukka Seppälä on tutkija polymeeriteknologian alalla Aalto-yliopistossa. Tutkimusryhmän painopistealueina ovat: uudet polymerointireaktiot ja polymeerien valmistus, polymeerimateriaalien rakenteiden ominaisuuksien väliset riippuvuudet, sekä biopohjaiset ja biohajoavat polymeerit. Niillä voidaan korvata perinteisiä muoveja tai niillä voi olla käyttökohteita lääketieteessä ja farmasiassa.

Haasteen taustaa

Materiaalien kulutus maapallolla on kasvanut viimeisten vuosikymmenten aikana hurjaa vauhtia. Materiaalivirtojen alkulähteet, tuotanto, käyttö sekä loppusijoitus vaativat uudenlaista tarkastelua, jotta pääsemme kohti kestävää tulevaisuutta. Luovilla ratkaisuilla, joissa on uudenlaista ajattelua, tavoitteiden saavuttamisessa onnistutaan. Suomessa ja maailmalla ratkaisuja kehitetään esimerkiksi monialaisesti yhdistelemällä kemiaa, materiaalitiedettä, fysiikkaa, teknologiaa, muotoilua ja taloustiedettä. Koska fossiilisten raaka-aineiden käyttöä tulisi vähentää, niin uusiutuvat materiaalit nousevat keskiöön. Kiertotalous voisi olla yksi hyvä lähestymistapa haasteeseen, jossa tuotteiden elinkaarta ja käyttöä mietitään kokonaisuutena jo etukäteen. 

Haastetta tulevaisuuden hyvistä biomateriaaleista ja tuotteista voi lähestyä esimerkiksi seuraavin apukysymyksin:

• Mistä ne voitaisiin valmistaa, miten niitä tulisi käyttää, miten kierrätys toteutuisi parhaiten?
• Millaisia ominaisuuksia niillä pitäisi olla tulevaisuudessa?  
• Mikä olisi hyvä tuote niistä tehtynä, millaisia olisivat esimerkiksi tulevaisuuden pakkaukset?
• Biomuovit. Biohajoavuus vs. pitkäaikainen kestävyys?
• Kenties lääketieteessä on suuria mahdollisuuksia?

Haasteen antajan kuvaus

Professori Jukka Rintala työskentelee Tampereen yliopistossa tutkijana ja materiaalitieteen ja ympäristöntekniikan yksikön päällikkönä. Bio- ja kiertotalouden tutkimusryhmät kehittävät energiatehokkaita ja ympäristöystävällisiä käytänteitä ja prosesseja, joilla voidaan ottaa talteen väheneviä luonnonvaroja sekä vähentää päästöjä. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi tutkimusta tehdään lähtien molekyylitasolta laboratoriomittakaavan teknologioihin aina suuren mittakaavan prosesseihin saakka.

Haasteen taustaa ja tulevaisuuden näkymiä

Maapallon kasvava väkimäärä ja kulutustottumusten muutos ovat lisänneet sekä elintarvikkeiden että muiden kulutushyödykkeiden kysyntää, mikä tarkoittaa samalla lisääntyvää ravinnetarvetta kasvintuotannossa. Ravinteista erityisesti fosforia on rajallisesti saatavilla. Typpilannoitteiden tuotanto sen sijaan kuluttaa valtavasti energiaa, mikä osaltaan nostaa lannoitteiden hintaa.Ongelma on maailmanlaajuinen, sillä ravinteiden saatavuuden ja hinnan haasteet näkyvät lopulta myös ruoan hinnassa ja koskevat kaikkia. Suomessa olemme lisäksi erittäin herkän vesistön, Itämeren, äärellä mikä voimistaa tarvetta kierrättää ravinteita.

Kasvien kasvatuksessa viljelymaahan lisätyt ravinteet sitoutuvat kasvin soluihin, minkä vuoksi ravinteita on lisättävä viljelymaahan säännöllisesti. Kasvihuoneviljelyssä käytetään erilaisia ravinneliuoksia. Ravinteet siirtyvät kasvien mukana eläinten rehuun ja ruokaamme, päätyen lopulta jäteveteen, lantaan ja biojätteeseen. Osa pellolle lisätyistä ravinteista huuhtoutuu sateiden mukana vesistöihin, aiheuttaen mm. rehevöitymistä. Typpeä myös haihtuu kasvihuonekaasuna. Tuotamme siis ravinteita fossiilisista varannoista maataloustuotantoon, mutta hukkaamme ravinteet hävikkinä ja päästöinä vesistöihin ja ilmakehään.

Tutkijat etsivät parhaillaan erilaisia tapoja ja prosesseja hyödyntää ja ottaa talteen jätevirroissa ja materiaaleissa liikkuvia ravinteita. Samoissa virroissa voi ravinteiden lisäksi olla esimerkiksi lääkeaineita, raskasmetalleja, mikromuoveja ja taudinaiheuttajia, joiden päätyminen maaperään tai kasveihin tulee huomioida.

Miten voidaan varmistaa ravinteet kasvintuotantoon tulevaisuudessa? Tarvitaanko uusia prosesseja, pitääkö koko jätevesien ja jätehuollon infrastruktuuri ajatella uusiksi, kulutustottumuksia muuttaa vai miten voimme varmistaa jo nyt rajallisten ravinteiden saatavuuden tulevaisuudessa?

Voit lähestyä haastetta halutessasi valitsemalla tutkimuskohteen, johon keskityt. Tutkimuskohde voi olla esimerkiksi kerrostalo, kasvihuoneviljelmä, maatila, kaupunki tai teollisuuslaitos.

• Perehdy kohteesi materiaalien ja jätevirtojen ravinteiden määriin, olomuotoon ja kiertoon.
• Etsi mahdollisia prosesseja ja ilmiöitä, joita voidaan käyttää ravinteiden talteenotossa.
• Etsi ravinteille käyttökohde.
• Varmista ravinteiden turvallisuus prosessit ja ihmistoiminta huomioiden.

Lopputuloksena voit esittää esimerkiksi ravinteiden kierrätyksen tutkimuskohteessa ja pohtia myös mahdollisuuksia hyödyntää prosessia muissa kohteissa.

Haasteen antajan kuvaus

Akateemikko, professori Markku Kulmala on ilmakehätutkija, aerosoli- ja ympäristöfyysikko. Hän tutkii ryhmänsä kanssa ilmakehän ilmiöitä, varsinkin ilmakehän ja maanpinnan vuorovaikutuksia. Viime aikoina hän on tutkinut suurkaupunkien saastecocktaileja ja erilaisten ekosysteemien merkitystä muuttuvassa ilmastossa.

Haasteen taustaa

Väestö muuttaa kaupunkeihin. Urbaanit alueet, varsinkin erittäin suuret kaupungit, ovat merkittäviä päästölähteitä (esim. hiilidioksidi ja musta hiili) ja vaikuttavat täten ilmastoon. Lisäksi suurkaupungeissa ilmanlaatu on usein heikko. Kaupunki-ilmassa on liikaa pienhiukkasia, otsonia, typen oksideita ja / tai häkää. Muuttuva ilmasto ja ilmanlaatu liittyvät toisiinsa monin eri tavoin. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on lisääntynyt viime vuosikymmenenä noin 3 ppm (ppm = miljoonasosa ilmatilavuutta) vuodessa.Merkittävä globaali tavoite on, että olisimme hiilineutraaleja, eli hiilidioksidipäästöt olisivat pienemmät kuin niiden nielut. Tämä vaatii hiilidioksidin poistamista ilmakehästä. Tässä kaupungeilla on merkittävä mahdollisuus.

Haastetta tulevaisuuden hyvästä ilman laadusta ja ilmastoneutraaleista kaupungeista voi lähestyä esimerkiksi seuraavin apukysymyksin:

• Millä eri tavoin päästöjä voidaan vähentää?
• Miten hiilidioksidia ja muita kasvihuonekaasuja voidaan vähentää ilmakehästä?
• Miten ilmanlaatua voidaan parantaa?
• Miten ilmanlaadun muutokset vaikuttavat ilmastoon?
• Millä eri tavoin tätä aihepiiriä voidaan tutkia ja miten tutkimustulokset vaikuttaisivat päätöksiin?