Kiertotalouden materiaalisuunnitteluratkaisut

Blogit
Marko Mäkipää,
Stefania Fortino,
Tuukka Verho

Materiaalin suunnittelu ja uusien materiaalien kehittäminen ovat olennainen osa useimpia kiertotalouden ratkaisuja. Uusien materiaalien suunnittelulla voidaan pidentää tuotteiden käyttöikää ja estää haitallisten, kierrätyskelvottomien tai harvinaisten materiaalien käyttöä. Älykäs materiaalisuunnittelu voi auttaa ratkaisemaan tuotteen käytönjälkeistä uudelleenhyödyntämistä, eli edistää uudelleenkäyttöä tai kierrätystä. Jo käytössä olevissa materiaaleissa on valtava uudelleenkäyttöpotentiaali, mutta tällä hetkellä vain pieni osa materiaaleista palaa uudelleen käyttöön uusina tuotteina. Sekajätteen ja komposiittituotteiden arvokkaiden materiaalien talteenoton, erottelun ja hyödyntämisen vaikeudet edellyttävät uusia ratkaisuja materiaalisuunnitteluun ja materiaalien talteenottomenetelmiin. VTT kehittää näitä materiaaliratkaisuja hyödyntäen VTT ProperTune® -mallinnusmenetelmää yhdistettynä uusimpiin kokeellisiin menetelmiin. VTT ProperTune® on tietokoneavusteisen materiaalikehityksen (ICME, Integrated Computational Materials Engineering) konsepti, jota on kehitetty VTT:llä jo noin kaksi vuosikymmentä.

Kiertotalouden materiaalisuunnittelun yhtenä tavoitteena on ylläpitää tai jopa parantaa kierrätetyn materiaalin ominaisuuksia ja suorituskykyä. Tämä tarkoittaa talteenotetun materiaalin käyttöä ennemmin alkuperäisessä tai korkeamman jalostusasteen tuotteessa kuin matalamman jalostusasteen käyttötarkoituksessa. Ylöspäin suuntautuva kierrätys (up-cycling) tarkoittaa, että vanhalle materiaalille annetaan alkuperäistä tarkoitusta enemmän arvoa. Materiaalin alaspäin suuntautuvaa uudelleenkäyttö on ainoa vaihtoehto silloin, kun materiaalien alkuperäisen laadun palauttaminen ei ole mahdollista, taloudellisesti kannattavaa tai ympäristön kannalta järkevää. Silloin materiaalia käytetään toissijaiseen tarkoitukseen tai sellaisella sovellusalueella, jolla sallitaan heikompi laatu. 

Esimerkiksi Suomessa suurin osa puretusta betonista murskataan ja käytetään uuden kivimurskeen sijasta maantäyttöön infrastruktuurirakentamisen yhteydessä ja rakennusperustuksissa, mitä pidetään alaspäin suuntautuvana kierrätyksenä. Lisäksi näin käytetty ikääntyvä betoni sitoo hiilidioksidia koko pidennetyn käyttöikänsä ajan, mutta hiilidioksidin talteenoton tahti on hyvin hidas. Murskausprosessin optimoinnin avulla hiilidioksidin talteenottonopeutta voidaan nopeuttaa ja silti ylläpitää uudelleenkäytön kannalta paras mahdollinen materiaalin suorituskyky. Murskausprosessin kehittämisellä voidaan löytää ratkaisu myös hienojakoisen aineksen parempaan erottamiseen kiviaineksista, jolloin arvokkaat sideaineet voidaan aktivoida uudelleen ja käyttää alkuperäiseen tarkoitukseen. VTT:llä kehitetään tietokoneavusteisen materiaalimallinnuksen avulla betonin murskauksen optimointia ja sementtisideaineiden uudelleenaktivointia. 

Muovien uudelleenkäyttö on toinen esimerkki, joka edellyttää uusia materiaaliratkaisuja. 1950-luvulta lähtien muovien kulutus on kasvanut eksponentiaalisesti. Muovien kiertotalous mahdollistaa entistä taloudellisemman ja ekologisemman tavan jatkaa muovien käyttöä, sillä uuden muovin tuottaminen kuluttaa enemmän fossiilisia raaka-aineita ja energiaa kuin kierrätys. Kerätyn materiaalin epäpuhtaudet aiheuttavat kuitenkin joitakin ongelmia muovien kierrätyksessä. Eri tyyppisten muovien lisäksi prosessissa on otettava huomioon epäpuhtaudet, kuten kemikaali-, elintarvike- ja nestejäänteet. VTT:llä kehitetään materiaaliratkaisuja sekamuovien hyödyntämiseen esimerkiksi mallintamalla erilaisten polymeerien keskinäistä käyttäytymistä uusissa muovimateriaaleissa. Kehittämällä menetelmiä ennustaa muovien sekoittumisen vaikutusta kierrätysmateriaalien ominaisuuksiin, voimme vahvistaa kierrättäjien luottamusta tuotteiden suorituskykyyn kierrätettyihin raaka-aineisiin liittyvistä epävarmuustekijöistä huolimatta.

Jo käytössä olevien tuotteiden ja materiaalien uudelleenkäyttö- ja kierrätysmenetelmien kehittämisen lisäksi VTT kehittää uusia materiaaliratkaisuja, jotka on alusta alkaen suunniteltu uudelleenkäyttöä varten. Biopohjaisilla ja ympäristöystävällisillä ratkaisuilla on yhä tärkeämpi rooli Euroopassa. Markkinaennusteiden mukaan mm. biokomposiittimarkkinat tulevat yli kaksinkertaistumaan seuraavien seitsemän vuoden aikana. Vaativammat sovellusalueet edellyttävät materiaalien optimointia useiden eri vaatimusten välillä laajamittaisten teollisuussovellusten aikaansaamiseksi. Biokomposiittien on ihmisympäristöissä oltava myrkyttömiä, paloturvallisia ja ympäristöystävällisiä. Näitä materiaaleja voidaan hyödyntää rakennus-, auto-, elektroniikka- ja kestohyödyketeollisuudessa. VTT:llä on mallinnuslähestymistavan avulla saavutettu monia lupaavia tuloksia esimerkiksi biokomposiittien vesivuorovaikutusten, naarmukestävyyden ja akustisten ominaisuuksien suhteen. Moniskaalaamallinnuksen, eli mallintamalla mikrofibrilli- ja molekyylitasolta aina komponentin ja tuotteen suorituskykytasolle avulla, voidaan biokomposiittimateriaalien ominaisuuksia ennustaa ja kehittää sekä suorituskykyä parantaa.  Esimerkiksi numeeristen tekniikoiden, kuten elementtimenetelmän (FEM, Finite Element Method), hyödyntäminen pienmittakaavassa (micro-FEM) tarjoaa keinon tutkia biokomposiittien mikrorakenteita koskevaa tietoa ja analysoida sen vaikutusta materiaalien ominaisuuksiin suuressa mittakaavassa. VTT on äskettäin luonut kehittyneitä mikrorakenteen rekonstruointialgoritmeja, jotka pystyvät tuottamaan yksityiskohtaisia mikrorakenteen geometrioita, kun niihin syötetään röntgenmikrotomografiasta saatuja kuidun pituutta, muotoa ja suuntajakaumaa kuvaavia parametreja. Kun matriisin ja kuitujen mekaaniset ominaisuudet ja niiden välinen kiinnittyminen tunnetaan, voidaan saavuttaa hyviä ennusteita komposiitin makroskooppisista ominaisuuksista.

VTT kehittää alkuperäisen suorituskyvyn säilyttäviä materiaalien uudelleenkäyttömenetelmiä, uusia parannettuja materiaaleja, joiden ansiosta tuotteiden käyttöikä pitenee, sekä ratkaisuja jatkuvan kierron epäpuhtauksien hallintaan. VTT ProperTune® on VTT:n tietokoneavusteisen materiaalikehityksen ratkaisu, joka auttaa yrityksiä ratkaisemaan monimutkaisia materiaaliongelmia ja saavuttamaan kilpailuetua ylivoimaisilla materiaaliratkaisuilla. Moniskaalamallinnuksella pyrimme ratkaisemaan vaikeita materiaaliongelmia ja tekemään kiertotalouden ratkaisuista mahdollisia ja taloudellisesti kannattavia.

Jaa
Marko Mäkipää

Marko Mäkipää

Research Team Leader
Stefania Fortino

Stefania Fortino

Senior Scientist
Tuukka Verho

Tuukka Verho

Senior Scientist
Kari Kolari

Kari Kolari

Principal Scientist
Anssi Laukkanen

Anssi Laukkanen

Research Professor