Kaikkea muuta kuin tavallinen kasvihuone
Konepajassa on ahdasta. Seitsemänmetrinen koivuvanerilevy täyttää Puumiehenkujalla Otaniemessä sijaitsevan pajan koko lattian.
Kaksi puuseppää kyykistelee vanerilevyn vieressä ruuvinvääntimet käsissään. He kiinnittävät suureen vanerilevyyn ohuempia puulevyjä, joissa on soikeita aukkoja.
Pajan ilmassa tuoksuu sekoitus puuta ja liimaa.
Projektipäällikkö Pasi Herranen seisoo ulko-oven vieressä ja seuraa puuseppien työtä. Vanerilevystä tulee kattoelementti kasvihuoneeseen, jota Herranen kutsuu ”Plant Factoryksi”.
Herrasen kasvihuone on kaikkea muuta kuin tavallinen kasvihuone.
Yleensä kasveja kasvatetaan kosteutta kestävissä lasihalleissa. Tämä kasvihuone on lähes kokonaan puuta. Kasvit kasvavat useissa päällekkäisissä kerroksissa ilman päivänvaloa.
Perinteiseen lasiseen kasvihuoneeseen verrattuna Herrasen suunnittelema kasvihuone säästää energiaa, vettä, maaperää ja ravinteita. Uusi keksintö kuluttaa puolet vähemmän energiaa Suomen kaltaisissa olosuhteissa ympärivuotisessa viljelyssä. Keksintö soveltuu niin Suomen pakkasiin kuin Saharan polttavan auringon alle.
”Vesi kierrätetään täysin. Kasveissa olevan veden lisäksi kasvihuoneesta ei poistu muuta vettä”, Pasi Herranen sanoo.
Kestävä kasvintuotanto kaipaa umpinaisen puurakenteisen kasvihuoneen tapaisia keksintöjä. Lisäksi Herrasen keksinnöllä voi olla kysyntää rakentamisessa laajemminkin.
Pokeri antoi itseluottamusta
Kaksi seinäelementtiä seisoo pajassa valmiina. Reunojen musta röpelöinen kumimassa auttaa pitämään seinät ilmatiiviinä.
Massiivisia elementtejä ei liikuteta noin vain. Seinien molemmille puolille on asennettu neljä metallirengasta nosturin kettinkiä varten. Tärkeä tekniikka on piilotettu vanerilevyjen sisään. Siellä anturit mittaavat puun kosteutta.
Tekniikka kiinnosti Pasi Herrasta jo nuorena. Hän oli jo ehtinyt saada ylioppilastodistuksen perusteella opiskelupaikan Tampereen teknillisestä yliopistosta, mutta lapsuudenystävä sai houkuteltua hänet hakemaan armeija-aikanaan Teknilliseen korkeakouluun Otaniemeen.
Pääaineeksi Herranen valitsi lujuusopin ja sivuaineeksi tuotantotekniikan. Molemmat ovat aloja, joiden osaaminen auttaa myös nykyisessä projektipäällikön työssä.
Kahvinjuonnin ja tikanheiton lisäksi otaniemeläisessä seitsemän hengen solussa pelattiin pokeria tietokoneella.
”Opiskelukaveri pärjäsi pelissä hyvin, joten minäkin päätin kokeilla”, Herranen sanoo.
Nettipokeri oli suosittu harrastus 2000-luvun alussa. Jotkut onnistuivat tienaamaan sillä jopa elantonsa. Ammattimainen pokerinpeluu vei myös Herrasen mukanaan ja sai jättämään opinnot sivuosaan kymmeneksi vuodeksi. Hän pelasi tietokoneella, matkusti kasinoille ympäri maailmaa, voitti ja hävisi.
Herrasen tyyni luonteenlaatu antoi peliin hyvät lähtökohdat. Voittamaan auttoi matematiikan ja tilastotieteen osaaminen.
”Häviämiseen osasin suhtautua rauhallisesti. En antanut sen haitata keskittymistä pelaamiseen.”
Pärjääminen pokerissa kasvatti varmuutta omasta päätöksentekokyvystä. Herranen sanoo, että juuri pokerista saadun itseluottamuksen ansiosta hän uskalsi uskoa laskelmiinsa ja omaan keksintöönsä.
Puu päihitti metallin
Diplomityön aiheeksi Herrasella oli kolme eri vaihtoehtoa. Kaksi niistä liittyi konetekniikan opinnoista tuttuun metalliin. Vanerin ominaisuuksissa sen sijaan oli jotain uutta ja kiehtovaa.
Diplomityön aikana Otaniemen lujuusopin koehallissa Herranen teki vetokokeita. Niissä hän venytti vaneria, kunnes se katkesi. Lisäksi hän mallinsi tietokoneella
erimuotoisten vanerikappaleiden rasituksen kestoa. Hän vakuuttui puun omintakeisista ominaisuuksista.
”Puu on lujaa ja kestävää materiaalia, joka johtaa lämpöä hyvin vähän. Se on uusiutuvaa, edullista ja sitä voi muokata. Lisäksi sitä on hyvin saatavilla.”
Valmistumisen jälkeen Herrasen mielessä pyöri idea puisesta seinäelementistä, jossa hyödynnettäisiin tyhjiökuivaamista. Menetelmässä vesi poistetaan tyhjiössä höyrystämällä.
Puuta on tyhjiökuivattu jo yli sata vuotta. Uutta oli Herrasen idea soveltaa tekniikkaa kokonaisen seinäelementin kuivaamiseen. Tyhjiökuivaamisesta on saanut nimensä myös projektin virallinen nimi: Vacuum Insulation System (VIS).
Tyhjiökuivaamisessa vanerilevyihin kohdistuu kova paine. Herranen suunnitteli levyjen väliin erityisen puisen sisärakenteen. Siksi seinäelementti pysyisi kasassa suuresta paineesta huolimatta.
Pelkkä teoreettinen malli ei kuitenkaan riittänyt. Tarvittiin myös todisteita idean toimivuudesta.
Kaksi viikkoa venyi vuodeksi
Ensimmäiset vuodet Pasi Herranen työskenteli ilman palkkaa ja aluksi täysin yksin, kumppanina vain vahva usko omiin laskelmiin. Välillä laskupino kasvoi niin suureksi, että Herrasen oli pakko lähteä tienaamaan rahaa pokeripöydästä.
Myös prototyypin rakentaminen käsityönä kysyi hermoja. Herranen oli kuvitellut prototyypin valmistuvan kahdessa viikossa. Se arvio meni pahasti pieleen. Lujuusopin koehallissa Otaniemessä koettiin monta turhauttavaa yrityksen ja erehdyksen hetkeä.
”Vaikein osuus oli kehittää elementille oikea pinnoite, joka pitää sen ilmatiiviinä.”
Lopulta Herrasella oli käsissään toimiva prototyyppi, jonka VTT totesi eristävän lämpöä riittävästi.
Kahden viikon sijasta prototyypin teko oli vienyt vuoden.
Alun perin Herranen suunnitteli, että seinäelementeistä rakennettaisiin taloja ja toimistorakennuksia. Kun Herranen luki Luonnonvarakeskuksen raportin kurkun kasvattamisesta, hän keksi puisten elementtiensä sopivan loistavasti kasvihuonekäyttöön.
”Kaupallistamismahdollisuudet olivat paremmat kasvihuoneissa.”
Pasi HerranenPokerista saadun itseluottamuksen ansiosta uskalsin uskoa laskelmiini ja omaan keksintööni.
Kasvit kasvavat päällekkäin
Perinteiset lasirakenteiset kasvihuoneet hukkaavat paljon energiaa. Talvisin niitä pitää lämmittää erityisen paljon, sillä osa lämmöstä karkaa huonon eristyksen takia. Esimerkiksi kurkun kasvattaminen vaatii, että kasvihuoneen lämpötila on +27 astetta.
Ongelmat jatkuvat kesällä. Silloin lasinen kasvihuone kuumenee liikaa. Kattoluukkujen avaaminen auttaa, mutta samalla kasvihuoneesta häviää kasvien tarvitsemaa hiilidioksidia. Siksi kurkkusato on talvella kaksi kertaa suurempi kuin kesällä.
Pasi Herranen vertasi tietokoneella lasisten kasvihuoneiden lukuja oman keksintönsä lukuihin.
”Omat laskelmani näyttivät heti hyviltä”, hän kertoo.
Luonnonvalon korvaaminen tehokkailla led-valoilla paransi laskelmia entisestään.
”Auringonvalon ongelma on, että sitä on joko liikaa tai liian vähän”, Herranen jatkaa.
Led-valojen avulla kasvattajat voisivat säädellä valon määrää ja aallonpituutta, minkä seurauksena kasvit kasvaisivat tavallista nopeammin.
Kasvihuoneen umpinaisesta rakenteesta on muutakin hyötyä. Esimerkiksi luontoa ja ihmisiä häiritsevää valosaastetta ei synny. Sen sijaan valo hyödynnetään maksimaalisesti kasvihuoneen sisällä. Elementtien pinnoitteena käytetty hopeinen alumiini heijastaa ledien valon kasveille.
Kaiken lisäksi ledit säästävät energiaa. Kun kasveja kasvatetaan päällekkäin, kasvihuone ei tarvitse led-lamppujen lisäksi muuta lämmöntuojaa.
”Hyvin eristetyssä Plant Factoryssa led-valojen energia muuntuu kasvien välityksellä lämpöenergiaksi. Se riittää pitämään hallin lämpöisenä ankarimmillakin pakkasilla. Hukkalämpöä riittää jaettavaksi kaukolämpöverkon kautta muillekin.”
Uudenlainen kasvihuone Otaniemeen
Puusepät ovat saaneet pajalla ensimmäisen kattoelementin sisäkehikon lähes valmiiksi. Seuraavien kattoelementtien koivuvanerilevyt odottavat nojallaan pajan seinustalla.
Herranen neuvoo Aalto University Magazinen valokuvaajaa. Puinen sisäkehikko ei saa missään nimessä näkyä valokuvissa, sillä keksinnön patenttihakemusta käsitellään vielä.
Projektitiimin jäsenet asettautuvat Herrasen kanssa kahden metallikiiltoisen seinäelementin väliin kuvattavaksi. Kauppatieteilijät Panu Miettinen ja Orvokki Ihalainen ovat tuoneet hankkeeseen sen kaupallistamisessa tarvittavaa osaamista.
Kolmikon mukaan tulevaisuudessa heidän elementtinsä voisivat soveltua myös kotien ja toimistojen rakentamiseen. Keksinnöllä arvioidaan olevan miljardien arvoiset potentiaaliset markkinat.
Pajassa rakennetut elementit viedään keväällä Luonnonvarakeskuksen tutkimusasemalle Piikkiöön. Sinne nousee 65 neliömetrin kokoinen kasvihuone, jonka tasakatolle asennetaan aurinkopaneelit.
Ensimmäiset salaatit kasvavat Herrasen kasvihuoneessa jo ensi kesänä.
Seuraavana suunnitelmissa on rakentaa Plant Factory -kasvihuone Otaniemeen. Salaattituotannon lisäksi kasvihuonetta aiotaan kokeilla lämmöntuottajana. Hukkalämpö siirretään Otaniemeen rakennettavaan uuteen lämpöverkkoon.
Parhaimmillaan salaattien kasvattaminen voi Herrasen mukaan sitoa enemmän kasvihuonekaasupäästöjä kuin mitä niiden viljely aiheuttaa.
”Tällä tavoin vihanneksia on tulevaisuudessa mahdollista kasvattaa hiilinegatiivisesti.”
Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 26 huhtikuussa 2020.
Tulevaisuudessa Vacuum Insulation System (VIS) -elementeistä rakennetut kasvihuoneet ovat sekä ruoan-, energian- että lämmöntuottajia.
- Kasvit kasvavat useissa kerroksissa päällekkäin: maankäyttö on jopa sata kertaa tehokkaampaa verrattuna ulkoviljelyyn. Vertikaaliviljely säästää viljelymaata eikä metsiä tarvitse kaataa ruoantuotantoa varten.
- Led-valot tuottavat ihanteellisen valokirjon yhteyttämiselle. Sen ansiosta kasveihin voidaan saada enemmän ravinteita, ja ne maistuvat paremmilta.
- Ilmatiivis kuori estää kosteuden haihtumisen. Tämä vähentää vedenkulutusta 99 prosenttia perinteiseen maatalouteen verrattuna.
- Kasvihuone toimii itsessään pitkäaikaisena hiilidioksidin varastona.
- Kasveista haihtunut vesi varastoidaan ja käytetään uudelleen.
- Tyhjiöpumppu voidaan kiinnittää VIS-elementteihin milloin tahansa.
- Tyhjiökuivaamisella VIS-elementit saadaan kuiviksi ja terveiksi. Sen avulla seinien elinkaari on erittäin pitkä. Kosteutta pitää poistaa valmiista elementeistä tyhjiökuivaamalla arviolta kerran vuodessa.
- Kasvihuoneen katolla on aurinkopaneelit.
- Led-valot voidaan sammuttaa sähkön hintapiikin ajaksi. Tällöin sähkön keskimääräinen hinta viljelyalaa kohden jää alhaisemmaksi.
- Laaja valikoima antureita, jotka lähettävät reaaliaikaista tietoa pilvipalveluun: lämpötila, kosteus, hiilidioksidipitoisuus, tuulen nopeus.
- Tehokkuutta optimoidaan tekoälyn avulla.
- Ylimääräistä lämpöä voidaan siirtää kaukolämpöverkkoon.
- Tuotanto noin 2 megawattia 1 000 neliömetriä kohden.
Titta Kotilainen, erikoistutkija, Luonnonvarakeskus (Luke)Kestävä kasvintuotanto tarvitsee juuri tällaisia ratkaisuja.
Keksinnöstä sanottua
”Kuulin Pasin ideasta ensimmäisen kerrankesämökin leirinuotiolla Punkaharjulla seitsemän vuotta sitten. Jo silloin keksintö kuulosti hyvältä. Myöhemmin, kun teimme yhdessä laskelmia, tajusimme että umpinaisessa kasvihuoneessa on hyvät mahdollisuudet kaupallistamiseen. Ihmiset ovat entistä kiinnostuneempia ruoan hiilijalanjäljestä. Myös leditekniikan nopea kehitys on ollut meille onni.”
”Projektissa mieleenpainuvinta on ollut se, kun kuulimme saavamme TUTLI-rahoituksen. Hetki oli merkittävä. Rahoituksen saaminen tarkoitti sitä, että ideamme koettiin toteuttamiskelpoiseksi, ja että pystyimme kehittämään keksintöä isoilla harppauksilla eteenpäin.”
”Tässä se on! Näin ajattelin, kun kuulin ideasta ensimmäistä kertaa Kauppapuutarhaliiton tilaisuudessa. Hollannista Suomen ilmastoon tuodut kasvihuoneet eivät ole energiatehokkaita, ne ovat niin huonosti eristettyjä. Eikä vertikaalikasvatukseen kelpaa mikä tahansa vanha varasto, kuten usein ehdotetaan. Kestävä kasvintuotanto tarvitsee juuri tällaisia ratkaisuja. Varsinkin kun led-lamput hoitavat sekä valaistuksen että lämmittämisen.”
”Kuulosti aluksi erikoiselta, että ilmaista luonnonvaloa ei hyödynnetä tässä innovaatiossa. Energiatehokkuuden parantaminen on hyvä asia, sillä varsinkin talvisin lasisen kasvihuoneen lämmittäminen vie paljon virtaa. Odotan mielenkiinnolla, että viljely alkaa ja tuloksia saadaan.”
”Kun alamme suunnitella keksinnön kaupallistamista, pohdimme erityisesti kahta asiaa. Ensinnäkin keksinnön on oltava merkittävästi parempi kuin nykyiset ratkaisut. Toiseksi tiimin itsensä on oltava halukas kaupallistamaan. On ollut ilo seurata tätä projektia, jossa molemmat ehdot toteutuvat.”
”Kasvihuone on vain yksi esimerkki rakentamiskohteista, missä tätä elementtiä voidaan käyttää. Homeongelmia näyttäisi olevan rakennuksissa rakennusmateriaalista riippumatta. Puurakentamisen suosio vain kasvaa ja tämä elementti pysyy täysin kuivana.”
”Projekti on edennyt kuin juna. Ideasta prototyypin rakentamiseen. Prototyypin mittaamisesta oikean kokoisen kasvihuoneen rakentamiseen. Tiimillä on toisiaan täydentävää osaamista. Se on onnistunut visioimaan, missä kaikessa tätä keksintöä voisi hyödyntää.”
Aalto on pärjännyt hyvin TUTLI-haussa
Kasvihuonekeksinnön kaupallistaminen oli mahdollista Business Finlandin Tutkimuksesta uutta liiketoimintaa (TUTLI) -rahoituksen avulla. Vacuum Insulation System -projekti sai rahoituksen vuoden 2019 alusta.
TUTLI-rahoitusta on saanut vuosien 2012–2019 aikana 81 aaltolaista projektia, runsaat 41 miljoonaa euroa. Hakeneista yli puolet (52 %) on saanut rahoituksen. Vuoden 2020 alusta rahoituksen nimi on Research to Business.
Esimerkiksi nämä Aalto-taustaiset yritykset ovat aikanaan saaneet TUTLI-rahoituksen: Iceye, Surgify, Yieldsystems, Fractuscan, XFold Imaging, Elfys, Koite Health, Ladimo, Addcomposites, Agilefant, Unified Charges.
Katso videolta, miten massiivinen seinäelementti saadaan siirrettyä konepajasta ulos.
- Julkaistu:
- Päivitetty:
Lue lisää uutisia
Robotiikka tarvitsee turvallisia käyttäytymismalleja
Robotiikka ja autonomiset järjestelmät kehittyvät nopeasti. Algoritmit, jotka kestävät häiriöitä ja epävarmuustekijöitä järjestelmässä ja ympäristössä, ovat kehityksen kannalta kriittisiä.
Tutkimus selvitti ilmastonmuutoksen vaikutusta tundralla: lämpeneminen voi lisätä hiilen vapautumista hälyttävästi
Ilman ja maaperän lämpeneminen sekä maaperän kuivuminen lisäsi hiilen vapautumista tundran ekosysteemistä.
Vuoden suurimman kestävyystapahtuman ohjelma julkaistu - mukana muun muassa taloustieteilijä Kate Raworth ja presidentti Tarja Halonen
Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston Sustainability Science Days -tapahtuma yhdistyy tänä vuonna maailman suurimman kestävyys- ja innovaatiokonferenssin kanssa. Tapahtumassa 2000 asiantuntijaa kokoontuu ratkaisemaan kestävyyshaasteita.