Jaakko Palosaari tutki väitöksessään energiankeruuta kävelystä käyttämällä cymbal ja kalvotyyppisiä rakenteita. Kuvassa etualalla Palosaaren rakentama demokenkä, jonka avulla hän tutki kantapäähän kohdistuvaa voimaa kävelyn ja juoksun aikana.

Pietsosähköisestä materiaalista on moneksi – tulevaisuuden virtalähdettä voisi hyödyntää esimerkiksi siltarakenteiden tarkkailuun

Oletko koskaan ajatellut, millaista tekniikkaa sytkärissä tai kameroissa käytetään? Molemmat laitteet hyödyntävät pietsosähköistä materiaalia, eikä kumpikaan toimisi ilman sitä. Pietsosähköisille materiaaleille on jo monta sovellutusta. Aihetta tutkineen Jaakko Palosaaren mukaan pietsosähköistä materiaalia voitaisiin hyödyntää esimerkiksi urheilussa, jossa pietsosähköisyys mahdollistaisi lihasten voiman tuoton tarkkailun erilaisten välineiden, kuten lihasten tehon tuottoa mittaavien housujen avulla.

Mitä tieteessä tapahtuu  | 

Teksti Heli Paaso-Rantala

Kuvat Heli Paaso-Rantala

 Jaakko Palosaari on tuore tohtori: Hän väitteli 13.12. Oulun yliopistossa tohtoriksi aiheenaan ”Pietsosähköinen energiankeräys kävelystä cymbal ja kalvotyppisillä rakenteilla.”

Palosaari tarkentaa molempien rakenteiden pyrkivän välittämään kineettistä energiaa tehokkaasti pietsosähköiseen materiaaliin, suojaamalla samalla materiaalia vahingollisilta voimilta.

Cymbal-rakenne koostuu kahdesta kuperasta metallista, joiden yhteenpuristaminen venyttää niiden välissä olevaa pietsosähköistä materiaalia. Tämä materiaali synnyttää sähkövarauksen, joka voidaan ottaa talteen.

Kalvorakenteessa puolestaan taipuminen aiheuttaa jännityksen pietsosähköiseen keraamiin, joka puolestaan synnyttää sähköisen varauksen. Tuotettu varaus voidaan kerätä talteen myöhempää käyttöä varten ja käyttää esimerkiksi antureiden virtalähteenä.

Palosaaren tutkimuksessa mekaaninen energia muutetaan sähköiseksi, jota voidaan ottaa talteen myöhempää käyttöä varten. Hän muistuttaa, ettei tutkimusta pidä kuitenkaan sekoittaa energian tuotantoon.

Mikroelektroniikan alan väitöskirjaansa varten Palosaari rakensi demokäyttöön kengän, johon hän sisällytti cymbal- ja kalvorakenteita. Niiden avulla hän tutki kantapäähän kohdistuvaa voimaa kävelyn ja juoksun aikana.

Palosaaren mukaan tätä kävelystä kerättyä energiaa voisivat käyttää esimerkiksi palomiehet ja sotilaat, joiden varusteisiin voisi asentaa kaasuantureita myrkyllisten kaasujen havaitsemiseen. Työssään näitä kaasuantureita voisivat hyödyntää myös kemikaalitehtaissa työskentelevät.

Pietsosähköinen materiaali ei ole uusi keksintö, sillä sitä on käytetty jo ensimmäisen maailmansodan aikana esimerkiksi kaikuluotaamisessa.

Nykypäivänä pietsosähköistä materiaalia voidaan käyttää esimerkiksi ovikelloissa, ultraäänikuvauksessa ja kitaroissa.

”Kitaroissa pietsosähkö toimii kuin anturina, joka aistii kielten tärinän. Pietsosähköinen materiaali muuttaa signaalin sähköiseksi, joka puolestaan voidaan muuttaa musiikiksi.”

 

Pietsosähköinen energiankeräys tuottaa pieniä määriä tehoa  

Pietsosähköinen energiankeräys vaatii aina jonkinlaisen mekaanisen voiman toimiakseen. Palosaaren tutkimuksessa pietsosähkömateriaali saa voimaa ihmisestä.

Jotta rakenne voidaan optimoida tuottamaan mahdollisimman paljon sähköistä energiaa, täytyy tietää todella hyvin se, millainen voima pietsosähkömateriaaliin kohdistuu,.

Palosaari rakensi cymbal-rakenteen, jonka hän asensi kengän sisälle. Rakenteen avulla hän kehitti kävelyprofiilin tietokoneohjatulle männälle, jonka avulla hän pystyi tarkemmin vertailemaan ja optimoimaan eri rakenteita.

Mäntään haettiin samat kiihtyvyydet ja nopeudet, jotka imitoivat kävelyä.

”Ensin mäntä puristaa nopeasti kantapään osuessa maahan, ja sitten mäntä päästää hitaasti irti kantapään noustessa. Tulee pieni tauko, ja sama toistuu jälleen”, hän selittää.

Kalvorakenteessa paine puolestaan taivuttaa pietsosähkömateriaalin kuperaksi. Palosaari asensi demokenkään esijännityksen jousituksen avulla, jonka avulla kalvon lähtötilanne on jo valmiiksi kupera.

Demokengässä oli neljä kalvorakennetta päällekkäin, ja näiden rakenteiden alla oleva jousi taivutti rakenteet lähtötilanteessa kuperaksi. Kengällä astuessa rakenteet taipuivat kantapään mukaisesti ylös ja alas.

Männässä oli käytössä sama kävelyprofiili, jonka avulla Palosaari pystyi testaamaan eri protyyppien välejä ja vertaamaan niitä toisiinsa. Tutkimukseen vaikutti se, kuka kävelee, miten kävelee ja kuinka nopeaa kävelee. Mäntä puristi aina samalla nopeudella ja voimalla pietsösähköistämateriaalia toisin kuin demokenkä.

 

Energiankeräys voi auttaa turvallisuutta parantavissa tekniikoissa

Pietsosähköisestä energiankeräyksestä ei ole sen kerätyn energiamäärän pienuuden vuoksi esimerkiksi puhelimen akun lataajaksi. Sen sijaan tekniikkaa voi hyödyntää turvallisuutta parantavien tekniikoiden virtalähteenä, kuten kaasuantureiden, jotka haistelevat myrkyllisiä kaasuja huoneissa ja kiihtyvyysantureiden, joiden avulla on mahdollista monitoroida vaikkapa sillan kuntoa.

Energiankeräyssovelluksella voisi mitata sillan rakenteita esimerkiksi muutaman kerran päivässä. Samoin teollisuudessa moottoreiden, pumppujen ja valmistuslinjojen tärinästä voisi ottaa osan energiasta talteen, ja monitoroida esimerkiksi laitteiden kuntoa ja ennakoida tarvittavaa huoltoa.

”Sillan rakenteet tärisevät aina kun ajoneuvot menevät yli. Jos siltojen rakenteiden tuottamissa taajuuksissa jokin muuttuu, siitä voidaan analysoida sillan kunto.”

“Sama koskee suuria työkoneita, junia ja laivoja jotka altistuvat joka päivä voimakkaille tärinöille.”

Sovellus toimisi keräämällä energiaa, kunnes se riittää mittauksen tekemiseen, ja kun energiaa on taas kerätty tarpeeksi, se voisi lähettää mittausdatan eteenpäin.

Jaakko Palosaari antaa toisen sovellutusesimerkin elävästä elämästä: Ihmiskehon energiaa voidaan muuttaa sähköiseksi energiaksi ja käyttää esimerkiksi urheilussa suorituksen analysointiin tai turvallisuuteen. Jotta lihasten toimintaa voidaan mitata urheilusuorituksen aikana, päälle puettavat elektroniikat ja anturit tarvitsevat virtalähteen toimiakseen.

Palosaaren mielestä kontaktilajeissa olisi hyvä seurata urheilijaan kohdistuvia iskuja, sillä varsinkin päähän kohdistuvat iskut aiheuttavat paljon vakavia aivotärähdyksiä useissa joukkuelajeissa, kuten jääkiekossa, amerikkalaisessa jalkapallossa, ja yksilölajeista amatöörinyrkkeilyssä.

Esimerkiksi kypärään sijoitettu kiihtyvyysanturi voisi seurata sitä, kuinka kova isku urheilijaan on kohdistunut ja mistä suunnasta. Tämä tieto voisi ennaltaehkäistä uusien vammojen syntyä ja auttaa lääkäriä diagnoosin ja jatkohoidon suunnittelussa.

Julkaistu 23.12.2017

Heli Paaso-Rantala

Oulun yliopiston tiedeviestinnän opiskelija, joka ei aina pysy mukana maailman menossa.

Lue seuraavaksi

Eikö lehmä asukaan häkissä? – Moni alakouluikäinen lapsi ei tiedä mistä ruoka tulee

Heidi Niemi

Mitä tieteessä tapahtuu

15.12.2017

Lapsuus avainasemassa myötätunnon kehityksessä

Sampo Marski

Mitä tieteessä tapahtuu

5.12.2017