Kemian tekniikan korkeakoulu

VIS (Vacuum Insulation System) - Business Finlandin rahoittama Aalto-yliopiston kaupallistamisprojekti

VIS (Vacuum Insulation System) on täysin uusi teknologinen innovaatio, jossa puurunkoisen rakennuselementin sisälle luodaan alipaine. Alipaineistaminen mahdollistaa kaksi tärkeää ominaisuutta: tyhjiökuivauksen ja erittäin tehokkaan lämmöneristävyyden. Tyhjiökuivauksen avulla elementti pysyy kuivana ja terveenä myös kosteissa olosuhteissa.

VIS-teknologia on ratkaisu olosuhteisiin, joissa tarvitaan sekä erinomaista lämmöneristävyyttä että kosteudenkestävyyttä. Esimerkkinä tällaisesta ympäristöstä ovat kasvihuoneet. Projektin tavoitteena on VIS-teknologiaa hyödyntämällä tuoda markkinoille uudenlainen, nykyisiä lasikasvihuoneita energia- ja kustannustehokkaampi ratkaisu, VIS Plant Factory.
Kuvassa keksijä Pasi Herranen VIS-elementin vieressä. Elementti on suuri, kiiltävän musta suunnikas.
Pasi Herranen

Aalto Innovation Servicen artikkeli projektistamme

Kauppapuutarhaliitto myönsi tiimille 5000 € innovaatiopalkinnon

Teknologia

VIS - elementti

VIS (Vacuum Insulation System) on täysin uusi teknologia energiatehokkaaseen ja homevapaaseen rakentamiseen. VIS-teknologian toimintaperiaatteena on muodostaa alipaine suuren puurunkoisen rakennuselementin sisälle. Elementit päällystetään iskunkestävällä ja ilmatiiviillä barrier-kerroksella ja elementteihin lisätään liitos tyhjiöpumppuun, jonka avulla kosteus elementin sisältä voidaan aina tarvittaessa poistaa tyhjiökuivaamisen avulla. Elementin alipaineistaminen tuottaa kaksi hyödyllistä vaikutusta: elementin lämmönjohtavuus alenee ja elementin sisällä oleva kosteus muuttuu höyryksi. VIS-elementit suunitellaan VOC-päästöttömiksi: elementin sisäiset VOC-päästöt ohjataan tyhjiöpumpun avulla hallitusti ulos rakennuksesta ja elementin ulkopinta (rakennuksen sisäpinta) päällystetään VOC-vapaalla materiaalilla.

Tyhjiökuivaus

VIS-elementissä hyödynnetään teknologiaa nimeltä tyhjiökuivaus. Tyhjiökuivaamisen avulla elementtiin sitoutunut vesi muuttuu höyryksi. Elementin alipaineistaminen laskee veden höyrystymispisteen lämpötilaa: kun 1000 millibarissa vesi höyrystyy 100 asteessa, 23 millibaarissa vesi höyrystyy jo 20 asteessa. Kun elementin sisäinen kosteus muuttuu höyryksi, se on helppo poistaa elementistä tyhjiöpumpun avulla. Tyhjiökuivaaminen suoritetaan tarpeen vaatiessa, eli silloin, kun elementin sisäisen kosteusanturi antaa signaalin kuivaustarpeesta. Tyhjiökuivaaminen varmistaa sen, että elementin kosteuspitoisuus pysyy alhaisena ja rakenne pysyy terveenä.

Tiimi

Historia

Projektin taustaa

VIS-teknologia sai alkunsa vuonna 2013, kun innokas Aalto-ylipiston lujuusopin opiskelija Pasi Herranen sai idean siitä, miten alipaineistamista hyödyntäen voitaisiin kehittää uudenlainen rakennuselementti, joka olisi samaan aikaan äärimmäisen energiatehokas, mutta myös täysin homevapaa. Kehitystyö lähti vauhdilla käyntiin, kun Pasi päätti tehdä diplomityönsä vanerin lujuusominaisuuksista ja havaitsi, että tietynlaisilla geometriaratkaisulla voidaan valmistaa vanerista suurikokoinen rakennuselementti, joka kestää alipaineistamisen lähelle nollaa baaria.

Projekti käynnistyy

Pasi valmistui Aalto-yliopistosta diplomi-insinööriksi vuonna 2014 ja ryhtyi kehittämään elementtiä itsenäisesti. Kontakteista yliopistolla oli paljon hyötyä, ja Pasi sai apua niin laskelmiin kuin ensimmäisten prototyyppien valmistamiseenkin Aalto-yliopistolta, vaikka tässä vaiheessa Aallolla ei vielä virallista roolia kehitystyössä ollutkaan. Ensimmäisen prototyypin rakennuspaikaksi valittiin lujuusopin laitoksen koehalli, jossa Pasin ”pömpelistä” tuli pian osa kalustusta: viikon projektiksi alun perin suunniteltu prototyypin rakennusprojekti kesti lopulta yli vuoden.

Tiimi muotoutuu

Syksyllä 2017 Pasi oli tyytyväinen projektin teknologioiden edistymiseen, ja alkoi pohtia sopivia väyliä ratkaisun kaupallistamiseksi. Pasin tuttavapiiri ei onneksi koostunut pelkästään insinööreistä, vaan lähipiiristä löytyi myös kauppatieteilijöitä. Orvokki Ihalainen ja Panu Miettinen liittyivät Pasin joukkueeseen ensimmäisen strategiapalaverin jälkeen loppuvuodesta 2017. Seuraavat kuukaudet pohdittiin sitä, mikä on paras tapa jalostaa VIS-teknologia lisäarvoksi kuluttajille. Etsinnän kohteena oli ala, missä paremmasta eristyksestä olisi suuri hyöty ja jossa VIS:in kosteudenkestävyys nousisi valtiksi.

Lasikasvihuoneet ovat energiasyöppöjä

Kasvihuoneala osoittautui pian projektimme kannalta  erittäinmielenkiintoiseksi kohteeksi: lämpöhäviöt kasvihuoneissa ovat valtavia ja kasvihuoneilmaston korkea ilmankosteus aiheuttaa ongelmia halvoille ja tehokkaille eristemateriaaleille. LED-valot olivat kehittyneet hurjaa vauhtia ja tämä kehitys oli VIS-teknologialle erittäin suuri valtti, sillä mitä tehokkaammaksi keinovalot kehittyvät, sitä vähemmän ne tuottavat hukkalämpöä kasvihuoneeseen. Keinovalot toimivat kasvihuoneissa siis tuplaroolissa: sekä valon lähteenä, että lämpöpattereina. Valotuksessa säästetty energia joudutaan suurelta osin korvaamaan lämmitysenergialla, ellei lämmöneristävyyttä paranneta. Tiimi alkoi suunnitella VIS:in hyödyntämistä esimerkiksi jo Japanissa käytössä olevassa Plant Factory-mallissa, jossa kasveja viljellään täysin suljetussa ympäristössä LED-keinovalojen alla useassa kerroksissa.

Ruoantuotannon tehostaminen on globaali haaste

Jatkuvasti kasvava maailman väestö, kaupungistuminen sekä ilmaston lämpeneminen luovat haasteita tulevaisuuden ruoantuotantoon. Maaseudulla asuvan väestön kokonaismäärä maapallolla on kääntymässä laskuun samalla, kun kaupungeissa asuvan väestön määrä kasvaa nopeasti.Maataloustuotannon tehokkuuden parantaminen on tärkein keino ruokkia kasvava väestö pienentyvällä työvoimareservillä ja niukoilla resursseilla. Mikäli markkinoille tuodaan tarpeeksi tehokkaita sisäkasvatusratkaisuja, voidaan ruoantuotantoa tuoda lähemmäksi kaupunkeja, joissa kuluttajat sekä työvoima ovat lähellä. Tehokkaammat sisäviljelyratkaisut myös suojaavat ruoantuotantoa ilmastonmuutokselta, joka heikentää ulkoviljelyn tehokkuutta. Tehokas sisäviljely säästää myös kriittisistä resursseja, kuten puhdasta vettä.

Projekti löytää kodin Aalto-yliopistolta

Kaupallistamisprojekti sai selkeän suunnan alkukeväästä 2018, kun Aalto-yliopiston Biotuotteiden ja biotekniikan laitoksen apulaisprofessori Lauri Rautkari suositteli VIS-tiimille Business Finlandin tuotekehityksestä liiketoimintaa -rahoituksen (TUTLI) hakemista. Kevät ja kesä kuluivat hakemusta tehdessä. Hakemusprosessi oli erittäin hyödyllinen, sillä aikaisemmin kerätyn tiedon läpikäyminen ja jäsentäminen kehitti osaamista ja auttoi selkeyttämään tulevaisuuden suunnitelmia. TUTLI-hakemus tuotti iloisen lopputuloksen, ja vuoden 2019 alusta lähtien projektia on tehty Otaniemessä kemian tekniikan korkeakoulun tiloissa Vuorimiehentiellä.

Erilaisia sovellusmahdollisuuksia

Lasikasvihuoneissa harvoin optimaaliset kasvuolosuhteet

Satotasojen maksimointi vaatii kasvulle tärkeiden tekijöiden, kuten valon määrän, hiiilidioksitason ja lämpötilan jatkuvaa optimointia. Nykyisessä lasikasvihuoneessa ongelmana on se, että kesäisin kasvihuoneen lämpötila voi nousta liian korkeaksi, jolloin kasvihuoneen kattoluukkuja täytyy pitää usein avattuina.  Kasvihuoneen luukkujen avaaminen johtaa siihen, että kasvihuoneessa ei voida ylläpitää kasveille optimaalista hiilidioksidipitoisuutta ja tällä on suuri merkitys satotasoon. Tuuletuksen vuoksi esimerkiksi kurkun viljelyssä kuumien kesäkuukausien sadot ovat vain noin puolet talvikuukausien satomääristä.

Mikä on plant factory?

Plant Factory with artificial lightning (PFAL). Suomeksi kasvuhuone (mutta juuri kukaan ei erota lukiessa kasvuhuonetta kasvihuoneesta, joten käytämme termiä plant factory)

  • Täysin suljettu ratkaisu jossa kasvatus tapahtuu ilman auringonvaloa energiatehokasta LED-teknologiaa hyödyntäen

  • Hyvä lämmöneristävyys sekä ilmanvaihdon minimointi mahdollisimman tasaisten olosuhteiden ylläpitämiseksi

  • Vertikaali- eli kerrosviljely. Malli, jossa kasvatuskerroksia on useita päällekkäin

  • Resurssien käytön tehokkuus (esimerkiksi vesi, lisähiilidioksidi)

  • Plant Factory-mallin ideana on leikata merkittävästi ympärivuotisen kasvatuksen energiankulutusta lisäämällä satotasoja ja minimoimalla resurssienkäyttöä

  • LED-teknologian nopea kehitys parantaa huomattavasti Plant Factoreiden kannattavuutta

  • Teollisen mittakaavan plant factoreita käytössä jo esimerkiksi Japanissa, Kiinassa ja Yhdysvalloissa

  • Rakennusmateriaaleina nykyisissä plant factoreissa käytetään pääosin kalliita ja epäekologisia betoni- ja teräsrakenteita

VIS Plant Factory tuo tehokkuutta ja tasaisuutta liiketoimintaan

VIS Plant Factoryssä lisälämmitystä ei tarvita lainkaan, vaikka kasvien valotukseen käytetään ainoastaan energiatehokkaita LED-valaisimia. Tämä tarkoittaa huomattavaa energiankulutuksen pienentymistä nykyisiin lasikasvihuoneisiin verrattuna. Energiansäästöjen lisäksi VIS Plant Factoryn lisää merkittävästi vuotuisia satomääriä. Sadon määrän kasvu perustuu siihen, että VIS Plant Factoryssa kriittiset olosuhteet, kuten valon, hiilidioksidin määrä sekä lämpötila pysyvät optimaalisina ympäri vuoden.

Perinteiset lasikasvihuoneet ovat vielä merkittävissä määrin säiden armoilla ja esimerkiksi kesän 2018 hellejakso aiheutti vakavia ongelmia kasvihuoneissa. VIS Plant Factoryssa olosuhteet pysyvät tasaisen optimaalisina myös pitkien hellejaksojen aikana, minkä ansiosta VIS Plant Factory parantaa huomattavasti myös liiketoiminnan ennustettavuutta.

Vaikka ratkaisu ei sisällä läpinäkyviä seinämateriaaleja, auringonvaloa päästään hyödyntämään: jos kattopinta-ala katetaan aurinkopaneeleilla, niiden avulla pystytään kesäaikaan tuottamaan merkittävä osa LED-valaistuksen energiantarpeesta.

VIS Plant Factory tuottaa lisälämpöä

VIS Plant Factoryn lämmöneristävyys on niin hyvä, että kasvuhuoneesta saadaan otettua talteen lämpöenergiaa myös kovilla pakkasilla. Tämä lämpöenergia voi tuottaa viljelijälle huomattavaa lisäarvoa, sillä sitä voidaan hyödyntää esimerkiksi muiden rakennusten kuten vieressä sijaitsevien lasikasvihuoneiden, lämmittämisessä. Projektin aikana tutkitaan myös mahdollisuutta liittää VIS Plant Factory osaksi kaukolämpöverkkoa.

VIS-teknologia soveltuu erinomaisesti Plant Factoryyn

Sisäviljelyssä suhteellinen ilmankosteus voi nousta yli 80 prosenttiin ja lämpötila yli 24 Celsiukseen. Tyhjiökuivauksen ansiosta VIS selviytyy hyvin myös kosteassa ja lämpimässä ympäristössä. Tämän ansiosta VIS-elementin suunnittelussa on on pystytty keskittymään siihen, että VIS Plant Factory on mahdollisimman edullinen, ekologinen sekä helppo valmistaa. Suunnittelussa on panostettu myös valmistuksen jälkeiseen elinkaareen ja VIS Plant Factory on helppo kuljettaa, pystyttää ja ylläpitää. VIS-elementin modulaarisuuden ansiosta VIS Plant Factorya on myös helppo laajentaa rakennusvaiheen jälkeen.

Vertikaaliviljely tehostaa maankäyttöä

Vertikaali- eli kerrosviljelyllä tarkoitetaan viljelytapaa, jossa kasveja viljellään Plant Factoryssa useissa kerroksissa. Vertikaaliviljelyn tehokkuus perustuu kerrannaisvaikutukseen. Yhden kerroksen tehokkuus Plant Factoryssa on moninkertaisesti parempi kuin ulkoviljelyssä, ja kun kerroksia voidaan asetella jopa yli kymmenen päällekkäin, yhden neliön satotaso voi yli sata kertoja paremmaksi perinteiseen ulkoviljelyyn verrattuna. Tehokas maankäyttö mahdollistaa maapallon metsäpinta-alan kasvattamisen kuten myös tuotannon tuomisen lähemmäksi kuluttajia vähentäen logistiikkaan liittyviä ympäristöhaittoja ja kustannuksia.

VIS - elementti kustannustehokkaissa energian varastointiratkaisuissa

VIS - elementillä  on myös potentiaalia toimia tulevaisuuden energian kausivarastointiratkaisuna. Tehokkaat energian kausivarastot tuovat joustoa energiamarkkinoille. Uusiutuvan energian tuotannon lisääntyessä sähkön tuotanto saattaa ylittää esimerkiksi hyvin aurinkoisina tai tuulisina päivinä  kysynnän, mikä johtaa sähkön hinnan romahdukseen. Hinnanromahduksen koittaessa sähköenergiaa voidaan muuntaa lämpöenergiaksi lämmittämällä vettä suurissa vesitankeissa. Hyvin eristetyt kausivarastot säilövät lämpöenergian seuraavaan talveen jolloin lämpöenergia myydään kaukolämpöverkon kautta kuluttajille. Nykyisten kausivarastoratkaisuiden ongelmia ovat muun muassa kalliista materiaaleista johtuvat korkeat valmistuskustannukset sekä heikko skaalautuvuus rakennusteknisten ongelmien takia. Lämmön- ja kosteudenkestävyytensä sekä rakennusteknisten ominaisuuksiensa ansiosta VIS:stä voidaan rakentaa erittäin suuria, edullisia ja energiatehokkaita lämpöenergian pitkäaikaisvarastoja.

Kuva Aalto-yliopiston punatiilisestä amphiteatterista
VIS on löytänyt kodin Aalto-yliopistosta

VIS TUTLI -projekti

  • Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulun projekti

  • Projektin kesto 1.1.2019 - 31.8.2020

  • Projektin rahoittajina Business Finland ja Aalto-yliopisto

  • Projektin fokukset: teknologian kehittäminen ja kaupallistaminen

  • Projektin jälkeen toiminnan jatkuminen yritystoiminnan muodossa

Case Japan, neuroverkon ja robotiikan yhdistäminen resurssitehokkuuden parantamiseksi

Japani on Plant Factory-kasvatuksen johtava maa, jossa toimii useita satoja suljetun ympäristön vertikaaliviljelylaitoksia. Japanin Plant Factorien resurssien käytön tehokkuus on parantunut viime vuosien aikana huomattavasti muun muassa LED-teknologian kehityksen ansiosta ja suurimmissa salaatti-plant factoreissa kerätään kymmeniä tuhansia salaatinpäitä vuorokaudessa. Alan kehitys on kuitenkin vasta alkuvaiheessa ja tekoäly- sekä robotiikkasovellusten odotetaan nostavan suljetun tilan viljelyn tehokkuuden uudelle tasolle. Tässä kohtaa jokainen lukija miettii varmasti tahoillaan, että jokaisen alan edustajat lupaavat tekoälyn ja robotiikan parantavan tuottavuutta moninkertaisesti lähitulevaisuudessa, joten seuraavaksi esittelen konkreettisen esimerkin siitä, miten näitä uusia teknologioita voidaan hyödyntää plant factoreissa.

Jokainen kasvi on oma yksilönsä omine geneettisine erityispiirteineen. Osa kasveista kasvaa todennäköisesti valioyksilöiksi, jotka viedään käsistä kaupan vihanneshyllyllä, kun taas osa jää alimittaisiksi rääpäleiksi, jotka päätyvät roskiin. Ongelmana on se, että mitä myöhemmin kasviyksilön ongelmat havaitaan, sitä enemmän on ehditty heitetty hukkaan resursseja, muun muassa keinovalotuksen vaatimaa sähköä ja lannoitteita, kasviin joka ei koskaan päädy kuluttajan lautaselle. Kääntäen siis mitä aikaisemmin voidaan havaita salaatintaimen huono laatu, sitä vähemmän tuotetaan hävikkiä ja sitä enemmän saadaan myytävää tuotetta per kasvatusneliö sekä resurssiyksikkö. Plant factoryn perimmäinen tarkoitus on muuntaa mahdollisimman tehokkaasti käytetyt resurssit lautaselle päätyviksi tuotteiksi, joten kysymys kuuluu: miten saadaan mahdollisimman tehokkaasti ja mahdollisimman pian poimittua huonot yksilöt pois kasvatuspöydältä tuhlaamasta resursseja? Tässä kohtaa avuksi tulevat niin kasvitiede, neuroverkot kuin robotiikka.

Robootti hoitaa kasvitutkijan työt

Kasvitietelijöiden parissa on jo pitkään tiedetty, että tietyn kasvin kasvupotentiaalia voidaan arvioida varsin tehokkaasti mittaamalla sen klorofyllin fluoresenssia. Lyhyesti selitettynä klorofyllin fluoresenssia mittaamalla voidaan arvioida muun muassa kasvin fotosynteesikapasiteettia sekä stressitilaa. Menetelmän hyvä puoli on se, että kyseinen mittaus voidaan suorittaa häiritsemättä kasvin elämää pelkän sinisen valon LED-pulssin ja kameran avulla.

Moriyuki ja Fukuda (2016) kehittivät tähän menetelmään liittyen täysin automatisoidun prosessin, joka pystyy erottelemaan kuuden päivän ikäiset salaatintaimet menestyjiin ja vätyksiin. Kuuden päivän iässä salaatintaimet ovat vielä hyvin pieniä ja tämän vuoksi niiden analysointi on nopeaa, sillä yhdellä 60cm*60cm tarjottimella kasvaa jopa 600 salaatintaimea ja robotin avulla voidaan näin valokuvata 7200 taimea päivässä. Kun kasvit saavuttavat kuuden päivän iän, robotti vie taimet kameran kuvattavaksi kuusi kertaa neljän tunnin välein. Kasvien kuvaaminen tapahtuu täysin pimeässä laatikossa, jossa erittäin tarkka kamera kuvaa kasveja sen jälkeen, kun niille on annettu sinisen valon LED-pulssi. Kasvien reaktiosta LED-pulssiin saadaan mitattua aikaisemmin esitelty klorofyllin fluoresenssi. Samalla kuvista kerätään myös muuta informaatiota, kuten esimerkiksi lehtipinta-ala sekä luontainen vuorokausirytmi. Jokainen taimi on yksilöity RFID-teknologian avulla, joten sadonkorjuun jälkeen voidaan tutkia kuudentena päivänä mitattujen ominaisuuksien ja lopullisen tuorepainon yhteyttä. Jos diagnostiikkarobootti käy lähes täydellä höyryllä, vuoden päästä kasassa kunnioitettava otos: yli 2miljoonaa dataparia yksittäisen kasvin ominaisuuksista päivänä kuusi, sekä saman kasvin lopullinen tuorepaino.

Tekoäly hoitaa tilastotieteilijän työt

Tiedonkeruuvaiheen jälkeen japanilaistutkijat laittoivat neuroverkon töihin. Kuvausvaiheessa jokaisesta kasvita oli kerätty tiedot yhteensä 16 erilaisesta biologisesta ominaisuudesta. Seuraavaksi tutkijat ajoivat datan 40 kertaa neuroverkon läpi. Neuroverkko muodosti datasta regressioyhtälön, jossa selitettävänä muuttujana käytettiin salaatin lopullista tuorepainoa ja selittävinä muuttujina edellä mainittuja havaittuja biologisia ominaisuuksia. Neuroverkko selvitti jokaisen yksittäisen selittävän muuttujan korrelaatiokertoimen tuorepainoon sekä standardivirheen. Yksittäisistä selittävistä muuttujista suurin korrelaatiokerroin löytyi klorofyllin fluoresenssista sekä lehtipinta-alasta.

Regressioyhtälön korrelaatiokertoimeksi saatiin lähes 0,5, eli mitattujen ominaisuuksien avulla pystytään selittämään lähes 50% satotason vaihtelusta. Neuroverkon luoman mallin pohjalta pystytään siis tehokkaasti arvioimaan jokaisen salaattiyksilön odotusarvo jo kuuden päivän iässä. Salaattitehtaan pyörittäjän päätettäväksi jää se, minkä odotusarvon alittavat salaatit poistetaan kasvatusalustalta tässä vaiheessa. Kun raja-arvot on määritelty, diagnostiikan hoitava robotti poimii automaattisesti huonot yksilöt pois kasvatusalustalta ja korvaa ne paremmilla yksilöillä toisilta tarjottimilta, kunnes jäljellä on enää valioyksilöitä, jotka siirretään varsinaiseen kasvatustilaan loppukasvatusta varten. Koska salaatti vaatii hyvin vähän tilaa sekä valoa ensimmäisen kuuden päivän aikana verrattuna seuraavaan noin 30-40 päivään, matalan odotusarvon yksilöiden poisheittäminen päivän kuusi kohdalla parantaa salaattitehtaan kannattavuutta sekä ekologisuutta huomattavasti. 

Kyseinen esimerkki osoittaa, miten kohtuullisen pienellä investoinnilla voidaan parantaa Plant Factorien tuottavuutta yhdistämällä tekoälyä, robotiikkaa sekä kekseliäisyyttä. Tulevaisuudessa tekoäly tulee varmasti parantamaan plant factorien managereiden päätöksentekoa vielä hyvin monilla muilla tavoilla. Kasviyksilöiden analytiikka voi tulevaisuudessa mahdollistaa esimerkiksi tekovalo- ja ravinnereseptien optimoinnin yksilötasolla.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu