Iskuja ja kuumuutta kestävä puuvaahto haastaa muovin ja sopii jopa syötäväksi

Aalto-yliopiston tutkijat kehittävät Älyä vaahtoihin -tutkimushankkeessa puupohjaisia vaahtomateriaaleja tekoälyn avulla. Hanke sai rahoituksen vaahtojen tutkimukseen Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiöltä ja Jane ja Aatos Erkon säätiöltä sekä vaahtoinnovaation kaupallistamiseen Business Finlandilta. Hankkeiden yhteisbudjetti on vajaa miljoona euroa.

Tutkimusryhmä on tehnyt vaahtotutkimusta jo noin kymmenen vuoden ajan. Viime vuosina tutkijat ovat kiinnostuneet muovien korvaamisesta puupohjaisilla materiaaleilla, koska solurakenteensa vuoksi ne ovat lujia ja eristävät lämpöä.

”Hanke perustuu biomimetiikkaan, jossa jäljitellään luonnon ilmiöitä. Pyrimme tekoälyn avulla kehittämään vaahtoa, jolla on puun kaltaisia ominaisuuksia, kuten lujuus, joustavuus ja lämmönkestävyys”, sanoo professori Mikko Alava.

Säätiöiden rahoittamassa hankkeessa tutkijat pyrkivät optimoimaan vaahdon ominaisuuksia. Esimerkiksi ligniinin, puukuidun ja laponiitin eli nanosaven seoksesta voi syntyä iskunkestävä ja kosteutta kestävä vaahto, jota voidaan käyttää muovin tilalla. Ligniini on puukuitujen sidosaine ja kuivattuna vaahtona kova, vettä kestävä ja jopa sähköä johtava.

”Perinteinen materiaalikehitys on hidasta ja arvaamatonta, ja uusia materiaaleja on voinut syntyä jopa vahingossa, kuten Teflonin tapauksessa. Tässä projektissa hyödynnämme koneoppimista, jonka avulla voimme karsia turhat materiaaliyhdistelmät ja prosessit kehityksen ulkopuolelle ja täten nopeuttaa kehitystyötä huomattavasti”, sanoo tutkijatohtori Juha Koivisto.

Vaahtoja voidaan myös valmistaa eri tekniikoilla. Rainauksella eli paperinvalmistustekniikalla syntyy juuri halutun paksuista materiaalia, mutta märän vaahdon kuivaaminen on hidasta. Pursottamalla tai 3D-tulostamalla saadaan puolestaan kovia pitkulaisia kuplia, jotka tekevät rakenteesta sauvamaisen ja vahvan.

”Tekoäly ehdottaa aiemman datan perusteella, miten voimme lisätä materiaaliin haluamamme ominaisuuden pienimmällä vaivalla”, Koivisto sanoo.

Kevyttä ja syötävää

Business Finlandin rahoituksella tutkijat etsivät uudelle materiaalille kaupallisia sovelluksia ja markkinoita.

”Kaupallistaminen ja esimerkiksi styroksin ja kuplamuovin korvaaminen pakkausmateriaaleissa edellyttää, että biopohjainen materiaali on aidosti biohajoavaa, edullista ja sitä voidaan tuottaa tonnikaupalla. Joissain käyttötarkoituksissa sen tulee myös kestää kosteutta”, kertoo Alava.

Keveytensä, lämmöneristävyytensä ja lujuutensa ansiosta vaahtomateriaali soveltuu rakennuseristeisiin, jos se on kosteudenkestävyyden lisäksi myös paloturvallista. Tutkimusta jatketaan tältä osin. Vaahtomateriaali muistuttaa paljon esimerkiksi korkkia, ja on samalla niitä monta kymmentä kertaa kevyempää.

”Kuitua voidaan valmistaa myös muista materiaaleista, esimerkiksi hiilestä. Kuidun geometria on materiaalissa olennainen, ja siksi geometrian avulla voidaan muokata valmistettavan materiaalin ominaisuuksia. Tikkumaisista kuiduista tulee parempaa vaahtoa kuin jauhemaisesta materiaalista. Materiaalioptimoinnin tavoitteena on tehdä erittäin lujaa ja kevyttä materiaalia, joka on samalla ympäristöystävällistä”, tutkijatohtori Antti Puisto sanoo.

”Erikoisinta vaahdossa on se, että se on syötävää. Menetelmän avulla voidaan valmistaa esimerkiksi porkkana-, puolukka-, karpalo- tai punajuurijauheesta vaahtoa ja siitä lastuja, jotka ovat kuin sipsejä”, sanoo Koivisto.

Tutkimusryhmällä on laaja osaaminen metsäpohjaisista materiaaleista, vaahdoista ja tekoälyn käytöstä materiaalitutkimuksessa. Muotoilusta ja pakkaussuunnittelusta vastaa Creative Sustainability -ohjelmasta valmistunut taiteen maisteri Luisa Jannuzzi, joka on tutkinut selluloosapohjaisten materiaalien käyttöä pakkausmateriaalina.

Älyä vaahtoihin -tutkimushankkeen taustalla on Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen CSM-ryhmä (Complex Systems and Materials), joka on mukana FinnCERESissä, Aalto-yliopiston ja VTT:n yhteisessä materiaalien biotalouden osaamiskeskuksessa. FinnCERESin tavoitteena on kehittää puuraaka-aineesta biotalouden materiaaleja varmistaen samalla edellytykset kestävään, ympäristöä säästävään tulevaisuuteen. Lisätietoja osaamiskeskuksen sivuilta finnceres.fi.