Imeline alusteadus: perspektiivitust leiutisest igaühe taskusse

Elektriautode liitiumakude tootmine Prantsusmaal Nersacis Johnson Controls Saft Advanced Power Solutionsi vabrikus.

FOTO: Regis Duvignau / Reuters/Scanpix

Pea kõigis tänapäeva elektroonikaseadmetes peituvate liitiumakude tehnoloogia loojad pidid igapäevaselt võitlema, kuna ühiskond ei näinud nende alusuuringutes omal ajal pea mingit rakendust ega kasu, kirjutab Eesti Noorte Teaduste Akadeemia liige Rainer Küngas artiklitesarja teises loos.

Mõelge, mitu erinevat laadijat peate reisikohvrisse kaasa pakkima selleks, et veeta nädalake kodust eemal soojal maal või tööreisil. Kindlasti ei tohi unustada laadijat mobiiltelefonile ja sülearvutile, aga võib-olla läheb vaja laadijat ka tahvelarvutile, juhtmeteta kõrvaklappidele, nutikellale, peegelkaamerale, habemeajamismasinale, elektrilisele hambaharjale, Bluetooth kõlaritele ja äkki isegi beebimonitorile. Kõikidele nendele seadmetele annavad elujõu liitium-ioonakud. Tänapäeval üritavad tuhanded teadlased ja insenerid välja töötada uusi, suurema mahutavuse ja pikema elueaga akusid. Tehnikaportaalidest leiab samal ajal ridamisi artikleid suurejoonelistest uute patareitehaste projektidest, mille eesmärgiks on leevendada meie kasvavat janu elektriautode ja suurte akude järele.

Mis on liitium-akude võidukäigu põhjuseks? Lühidalt öeldes liitium-akude võime salvestada oma massi kohta teistest akudest rohkem energiat. Kui iPhone’i sees oleks liitium-patarei asemel pliiaku, peaks telefoniaku olema umbes neli korda raskem ja ka mõõtudelt mitu korda suurem. Vaevalt, et keegi tahaks sellist «tellist» endaga igapäevaselt kaasas tassida!

Protsess liitium-aku sees, mis võimaldab meil sülearvutiga mitme tunni jagu akutoitel töötada, on tegelikult üsna imeline. Selleks, et protsessi mõista, tuleb esmalt teada, et igas liitium-ioonakus on kaks kihilise ülesehitusega materjali: üheks materjaliks on tavaliselt grafiit (nagu hariliku pliiatsi sees), teiseks aga mõni liitiumiühend; näiteks mobiiltelefonide akudes on viimaseks enamasti liitium-koobalt-oksiid (LiCoO2). Aku laadimise ja tühjenemise protsessi võib kirjeldada kui nende kahe kihilise materjali omavahelist võitlust, mida elektrivoolu toimel kas ühe või teise materjali kasuks saab pöörata.

Selleks, et toimuva protsessi imelisust paremini edasi anda, tasub kihilistest patareimaterjalidest mõelda kui kõrvuti seisvatest lasanje-plaatide virnadest, mis omavahel tomatikastme pärast jagelevad. Aku laadimisel liigub kaste ühtede plaatide vahelt välja ja teiste vahele, aku tühjenemisel vastupidi. Sellist lasanjeplaatidest seadeldist ei õnnestu ilmselt just kuigi palju kordi tühjaks ja täis laadida - plaadid muutuksid ruttu lötsiks, rääkimata sellest, et tomatikastme virna külje pealt sisse pressimine oleks äärmiselt tülikas ettevõtmine. Päris patareides peavad materjalid liitiumi sisse- ja väljaliikumisele vastu pidama aga lausa tuhandeid kordi. Imeline, kas pole?

Seitsmekümnendatel aastatel, kui tänased patareimaailma superstaarid (kellest on värvikalt kirjutanud Steve LeVine raamatus «The Powerhouse») oma laborites esimesi katsetusi tegid, oli maailm pliiakude pärusmaa. See tehnoloogia oli tollal juba üle saja aasta vana ja akud väga töökindlad. Laborites liitiumit grafiidi ja teiste materjalide kihtidesse surunud teadlased tegid oma uurimistööd ennekõike uudishimu ajel, mitte selleks, et kohe uusi energiasalvestamise tehnoloogiaid luua.

Neid vaevas, nagu tänaseid alusteaduste uurijaid Eestis, pidev mure teadusrahastuse pärast. Maailma esimese liitium-aku loonud teadlane, Stanley Whittingham, ei suutnud veenda ettevõtet, kus ta sel hetkel töötas, akude-teemalist arendustööd jätkama ja pidi kolima oma teadustöö ülikooli juurde.

FOTO: Eesti Teadusagentuur

Kõhklejaid leidus isegi pärast seda, kui Sony 1991. aastal – umbes kakskümmend aastat pärast esimesi katsetusi – esimese ettevõttena liitium-ioonakud turule tõi. Näiteks Lõuna-Aafrika Vabariigist pärit ja täna maailmakuulus akuteadlane Mike Thackeray pidi aasta hiljem uurimistöö jätkamiseks Ameerika Ühendriikidesse kolima. LeVine’i sõnul heitsid riiklikud teadusrahastajad teadlasele ette «liitium-akude tulevikuperspektiivi puudumist». Liitiumiga seotud teadustöö pole seega sugugi alati olnud nii glamuurne kui täna.

Liitium-ioonakude turu suuruseks hinnati eelmisel aastal 25 miljardit USA dollarit ja prognooside järgi jätkub kiire kasv ka lähitulevikus. Sellepärast on ehk huvitav küsida, kas teadlased, kes seitsmekümnendatel aastatel esimesed liitium-akud kokku panid, on nüüd pururikkad? Või kas ettevõtted, kes akude arendamisse algusaastatel investeerisid, on täna turuliidrid?

Esimesele küsimusele võib üsna kindlalt eitavalt vastata. Kuigi suur osa liitium-akudes kasutatavatest materjalidest on patenteeritud, ei ole see enamasti neid avastanud teadlasi rikkaks teinud.

Liitium-akude valdkonna grand old man, 96-aastane John Goodenough on vähemasti kahel korral magusatest patenditasudest ilma jäänud. Kuigi just tema laboris töötati välja täna igas mobiiliakus leiduv liitium-koobalt-oksiid, kuuluvad sellealased patendid Briti valitsusele, kes tolleaegset uurimistööd rahastas. Teisel korral, kui Goodenough proovis üht teist oma laboris välja töötatud (ja täna taas väga laialdaselt kasutusel olevat) patareimaterjali patenteerida, avastas ta aga, et välistudeng, kes materjaliga tema laboris töötas, oli patenditaotluse koos lähetust finantseerinud ettevõttega oma koduriigis juba sisse andnud.

Ettevõtetega on asi segasem. Sony, kes julge sammuna esimesed liitium-akud turule tõi, on täna pigem väiketootja staatusesse langenud. Teisest küljest on maailma suurim liitium-akude tootja, Panasonic, samuti Jaapani ettevõte. Seega on Jaapanil õnnestunud riigina oma varajasest investeeringust liitium-akudesse siiski olulisel määral kasu lõigata, kuigi Panasonicu edu Hiina ja Lõuna-Korea konkurentide ees on pidevalt kahanemas. Huvitav on seegi, et näiteks Euroopa ja USA päritolu ettevõtteid suurimate akutootjate nimistust ei leia.

Liitium-akude tehnoloogia on hea näide sellest, kuidas teadlaste uudishimust ajendatud uurimistööst on aja jooksul välja kasvanud Suur Äri. Nagu alusuuringute puhul tihti juhtub, ei ole ka liitium-akude valdkonnas olulisi teadusavastusi teinud teadlased ega esimesed akud välja töötanud ettevõtted nende seas, kes täna sellest tehnoloogiast kõige rohkem kasu lõikavad.

Aga kas sellepärast saab veel öelda, et materjalide alusuuringud ja uudishimust kannustatud uurimistöö on majanduslikult ebavajalik? Vaevalt, et keegi meist kahtleks, et liitium-akud on meie elu paremaks muutnud. Võib-olla on (Eestigi) teadlased just praegu nokitsemas tehnoloogia kallal, milleta me 30 aasta pärast päevagi elada ei suuda! Panustagem täna alusteadustesse, et me tulevikus mõttejõul kvantarvutile käsklusi andes võiksime imestada: «Kuidas neid asju küll varem ei leiutatud?».

Eesti Noorte Teaduste Akadeemia algatatud artiklisarjas «Milleks meile alusteadused?» tutvustavad erinevate valdkondade teadlased oma erialasid ning selgitavad, kuidas uudishimu poolt juhitud teadus võimaldab nihutada inimkonna teadmiste piire.

Populaarne

Tagasi üles