Väitös: Valkoinen laser ja mikrofoni mittaavat ilman koostumuksen tarkasti

Ilma on monen kaasun eli molekyylityypin seos, jonka koostumus sekä vaikuttaa että antaa tietoa ilmastosta, ihmisten terveydestä ja teollisuuden prosesseista. Kasvihuonekaasut esimerkiksi lämmittävät ilmakehää, hiilimonoksidi on ihmiselle hengenvaarallista korkeissa pitoisuuksissa, ja polttolaitosten päästöt kertovat palamisprosessin tehokkuudesta.

Valo on erinomainen työkalu kaasuseosten koostumuksen reaaliaikaiseen ja luotettavaan mittaukseen. Yksinkertaisimmillaan optinen mittaus perustuu laservalon heikentymiseen tutkittavassa kaasuseoksessa, mutta laserin yksivärisyys rajoittaa mittauksen vain yhteen molekyylityyppiin. Tommi Mikkonen kehitti väitöstyössään menetelmän, jossa on kaksi merkittävää eroa tähän yksinkertaiseen lähestymistapaan nähden.

Tavallisen laserin sijaan Mikkonen käyttää työssään useita värejä sisältävää valonlähdettä, ”valkoista laseria”, jolloin monen molekyylityypin samanaikainen havaitseminen on mahdollista. Lisäksi valon heikentymisen sijaan hän keskittyy menetelmässä valon aiheuttamiin muutoksiin kaasuseoksessa, mikä mahdollistaa erittäin pienten kaasupitoisuuksien mittaamisen pienestä määrästä näytekaasuseosta. Mittausmenetelmä perustuu kaasuseoksen jaksottaiseen säteilytykseen, joka aiheuttaa kaasuseoksen lämpötilan ja paineen jaksottaisen vaihtelun eli ääniaallon.

– Kehittämäni mittalaite saa kaasuseoksen tietyt molekyylityypit tuottamaan niille ominaista ääntä, jota voi kuunnella tarkoitukseen kehitetyllä mikrofonilla, kertoo Tommi Mikkonen.

Tekniikka helpottaa kemiallisten aseiden havaitsemista

Yksi mittaustekniikan lupaavimmista sovelluskohteista on kemiallisten taistelukaasujen havaitseminen, jota Mikkonen havainnollisti kokeellisesti yhdessä Helsingin yliopiston kemiallisen aseen kieltosopimuksen instituutin kanssa.

– Kemiallisten aseiden havaitsemisessa keskeistä on saatavuudeltaan rajoitettujen kenttänäytteiden luotettava, herkkä ja nopea analysointi, johon kehittämäni tekniikka soveltuu erinomaisesti, sanoo Tommi Mikkonen.

Ainutlaatuisen mittausmenetelmän kehittäminen ja sovelluskohteiden kartoitus jatkuu parhaillaan lukuisissa tutkimusryhmissä ympäri maailmaa.

Tommi Mikkonen on kotoisin Tampereelta ja työskentelee tällä hetkellä tutkijana Helsingin yliopistossa.

Väitöstilaisuus perjantaina 28. huhtikuuta

Diplomi-insinööri Tommi Mikkosen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Fourier Transform Photoacoustic Spectroscopy with Broadband Lasers tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 28.4.2023 kello 12 Hervannan kampuksella Tietotalon auditoriossa TB109 (Korkeakoulunkatu 1, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Vincenzo Spagnolo, Politecnico di Bari, Italia. Kustoksena toimii professori Juha Toivonen Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.