Demonstraatio hackmaniitin jälkiloisteesta

Turun yliopiston tutkijat kehittävät kansainväliselle ISS-avaruusasemalle hackmaniittiin perustuvia säteilymittareita

04.05.2022

Turun yliopiston tutkijat kehittävät kansainväliselle avaruusasemalle uutta hackmaniittiin perustuvaa dosimetria ja passiivisia detektoreita, joita on tarkoitus käyttää avaruuslennoilla materiaalien saamien säteilyannosten määrittämiseen. Vuoden kestävän tutkimusprojektin rahoittaa Euroopan avaruusjärjestö ESA. 

European Space Agencyn (ESA) rahoittamassa tutkimusprojektissa tutkitaan Turun yliopistossa kehitettyä väriä vaihtavaa synteettistä hackmaniittia käytettäväksi kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS). 

Projektissa selvitetään, miten synteettisesti valmistettu hackmaniitti soveltuu havaitsemaan erilaisten materiaalien avaruudessa saamaa UV-säteilyä sekä määrittämään niiden saamia säteilyannoksia passiivisesti ilman virrankulutusta.

Projektin alustavana tavoitteena on viedä hackmaniittia levyinä ISS-avaruusasemalle vuoden 2023 kuluessa. 

Hackmaniittia viedään ISS-avaruusasemalle levyinä

Tutkijat selvittävät esimerkiksi, miten hyvin kehitetty synteettinen materiaali toimii tyhjiössä sekä ISS:n kiertoradan olosuhteita vastaavassa –150 – +150 asteen lämpötilavaihteluissa. Lisäksi tutkitaan menetelmiä, joilla voidaan mahdollisimman helposti, tarkasti ja varmasti lukea hackmaniitin väristä sen saama säteilyannos. 

– Nykyiset annosmittarit tarvitsevat sähköä, ovat kalliita ja hankalia asentaa. Siksi hyvin toimivat halvat passiiviset ilman sähköä toimivat detektori ja dosimetri olisivat tärkeitä avaruuskäyttöön kehitettävien uusien materiaalien tutkimuksen kannalta. Hackmaniitti voisi tarjota tähän ratkaisun, sillä tähän asti itse mineraalin tiedetään sietävän paljon suurempia lämpötilavaihteluita, kertoo projektia johtava professori Mika Lastusaari Turun yliopistosta.

Tohtorit Agnieszka Suliga ja Adrian Tighe ESA:n materiaalifysiikan ja -kemian jaoksesta ehdottivat avaruusasemaan liittyvää projektia Lastusaaren tutkimusryhmälle huomattuaan tutkimusryhmän artikkelin arvostetussa Materials Horizons -lehdessä.

– Suomesta ei tyypillisesti löydy toimijoita, jotka pystyisivät kilpailemaan suuren mittakaavan materiaalien tai teknologian tuotannossa. Sen sijaan kilpailuvalttinamme toimii hackmaniittiteknologian kehittämisen kaltainen laadukas huippuosaaminen. Tämäkin avaruusteknologiaprojekti lähti liikkeelle tutkijatohtorimme Isabella Norrbon väitöstutkimukseen perustuvasta artikkelista, Lastusaari kertoo.

Tutkimusryhmä jalostaa ja optimoi luonnonmineraalin parhaita ominaisuuksia ja kehittää jatkuvasti uutta hackmaniittiteknologiaa

Lastusaaren johtama älykkäiden materiaalien kemian tutkimusryhmä Turun yliopiston kemian laitoksella on pitkään tehnyt uraauurtavaa valoon ja väreihin liittyvien materiaalien tutkimusta. Ryhmä on erikoistunut tutkimaan luonnossa harvinaisena esiintyvää hackmaniittia ja kehittänyt menetelmiä valmistaa sitä synteettisesti. 

–  Materiaalimme on luonnon kehittämä, mutta vain synteettisenä saamme käyttöön sen mahtavat ominaisuudet. Keinotekoisesti valmistettuna voimme paremmin hallita materiaalin ominaisuuksia ja saada ne paljon paremmiksi kuin luonnonhackmaniitissa, Lastusaari toteaa.

Luonnossa esiintyvällä hackmaniitilla on kyky vaihtaa väriään luonnonvalkoisesta pinkkiin tai violettiin UV-säteilyn vaikutuksesta. Tutkimusryhmä on kehittänyt synteettisesti valmistetussa hackmaniitissa näitä värinvaihto-ominaisuuksia edelleen ja hyödyntänyt niitä erilaisissa sovelluksissa. Kaikki tutkimusryhmän kehittämät hackmaniittimateriaalit ovat myrkyttömiä ja ne voidaan kierrättää.

– Hackmaniitin värin voimakkuus riippuu siitä, miten paljon UV-säteilyannosta se saa, joten materiaalia voidaan käyttää esimerkiksi Auringon säteilyn UV-indeksin määrittämiseen. Juuri tästä on kyse avaruusasemalla testattavasta hackmaniitista, mutta ominaisuutta voi hyödyntää myös arkisissa sovelluksissa. Meillä on esimerkiksi UV-säteilyn mittaamista varten jo kännykkäsovelluskin, jota kuka tahansa voi käyttää, kertoo tohtorikoulutettava Sami Vuori

Demonstraatio hackmaniitin jälkiloisteesta

Lastusaaren mukaan energiakynnystä, jolla hackmaniitti värjäytyy, on myös mahdollista säätää. Sillä tavalla saadaan muokattua materiaalia herkäksi eri UV-säteilytyypeille, eli UVA-, UVB- ja UVC-säteilylle. Tutkimusryhmä toteutti tutkimuksia, kehitti UV-detektointia ja sen erilaisia sovelluksia Tekesin rahoittamassa SENSOGLOW-projektissa, jossa kehitettiin myös UV-detektointisovellus älypuhelimille.

Hackmaniitti saadaan säädettyä herkäksi myös röntgensäteilylle. Röntgensäteilylle herkästä hackmaniitista voidaan tehdä levyjä, joille röntgenkuvia voidaan kuvata. Kuvan näkemiseen ei tarvita kalliita lukulaitteita, vaan kuva nähdään suoraan levyn pinnalta. 

– Synteettisen hackmaniitin valmistus on nopeaa sekä edullista ja materiaalit ovat uudelleen käytettäviä, joten tällaisessa tekniikassa olisi paljon potentiaalia esimerkiksi kehittyvissä maissa sekä passiivisen detektoinnin osalta. Silloin saataisiin mahdollistettua ja toteutettua muuten liian kalliit kuvantamislaitteistot ja -menetelmät, toteaa tohtorikoulutettava Hannah Byron.

Hackmaniitin röntgensäteilyyn liittyviä ominaisuuksia ja siihen liittyvien sovellusten kaupallistamista kehitettiin Business Finlandin rahoittamassa HIPTech-projektissa, jonka jälkeen perustettiin myös startup-yritys Pure Luminescence Technologies Oy kaupallistamaan hackmaniittiteknologiaa eri röntgensovelluksiin. 

Luonnollista valoa hohtavasta hackmaniitista voisi olla jopa ledien, loisteputkien ja energiansäästölamppujen korvaajaksi

Hackmaniitti on luonnossa harvinainen, ja vielä harvinaisempaa on luonnonhackmaniitin valkoinen loiste. Tutkimusryhmä on selvittänyt myös valkoisen loisteen hyödyntämispotentiaalia. Toisin kuin missään muussa nykyisin käytössä oleva valkoisessa valossa, tämän loisteen spektri on jatkuva koko näkyvän valon alueella, eli hackmaniitin valkoinen loiste on siten paljolti auringonvalon tai hehkulampun kaltainen. 

Hackmaniitin valkoinen valo ei kuitenkaan tuota lämpöä, joten se voisi olla energiatehokas sekä nykyisin käytössä olevia valoja luonnollisempi valonlähde. Lisäksi sen värilämpötilaa voidaan säätää lämpimästä valkoisesta kylmän valkoiseen, joten se voi kiinnostaa valaisinten ja valonlähteiden valmistajia tulevaisuudessa.

– Hehkulampussa 80 % tehosta menee lämpöön ja vain 20 % valkoiseen valoon. Valkoisissa ledeissä, loisteputkissa ja energiansäästölampuissa valkoinen valo taas saadaan kahden tai kolmen eri värin yhdistelmänä, mikä näyttää silmään valkoiselta, mutta koska näistä valoista puuttuu joitain aallonpituusalueita, ei niiden valo vastaa luonnonvaloa. Hackmaniitilla voisi olla merkittävää potentiaalia myös valaisinten valmistusmateriaalina, Lastusaari kertoo.

Lastusaaren tutkimusryhmässä on tutkittu, kehitetty ja kaupallistettu synteettistä hackmaniittimateriaalia ja sen valmistusmenetelmiä useissa projekteissa Tekesin TUTL- ja Business Finlandin Business to Research (R2B) -rahoituksella. Tutkimusryhmän teknologioille on haettu patenttisuojaa yhteensä seitsemässä patenttiperheessä. Osalle on jo myönnetty patentteja Yhdysvalloissa ja muissa maissa.

Luotu 04.05.2022 | Muokattu 04.05.2022