Robotti nopeuttaa energiavarastointiin sopivien materiaalien etsintää

Uusi robottialusta automatisoi sähkökemiallisia kokeita ja auttaa keräämään tehokkaammin tietoa energian varastointiin soveltuvista materiaaleista.

”Olemme kehittäneet uusia robottityökaluja, jotka eivät ole kovin monimutkaisia, mutta joiden avulla voimme nopeuttaa tai jopa täysin muuttaa tapaa, jolla tutkimusta tehdään”, kertoo professori Pekka Peljo.

Tutkijoiden kehittämässä robottialustassa yhdistyvät pipetointirobotti, kuluttajakäyttöön tarkoitettu 3D-tulostin, jota tutkijat ovat muokanneet sekä sähkökemiallinen mittausjärjestelmä. Pipetointirobotti valmistelee näytteet 96-kuoppalevylle, ja 3D-tulostimesta muokattu sähkökemistirobotti asettaa elektrodit kuoppiin mittauksia varten.

Mahdollisten materiaalien ja niiden yhdistelmien määrä on niin valtava, että kaikkien yhdistelmien testaaminen käsin, yksi koe kerrallaan, on hyvin hidasta.

Robotti ei suorita yksittäistä mittausta kovin paljoa ihmistä nopeammin, mutta tutkijat voivat ohjelmoida kokeet etukäteen ja jättää järjestelmän työskentelemään itsenäisesti vuorokauden ympäri. Lisäksi näytteiden valmistaminen pipetointirobotilla on huomattavasti nopeampaa.

Automaatio helpottaa myös sen tutkimista, miten erilaiset olosuhteet vaikuttavat materiaaliin. Tutkijat voivat esimerkiksi muuttaa pH-arvoa järjestelmällisesti ja seurata, miten se vaikuttaa materiaalin toimintaan sähkökemiallisessa mittauksessa.

”Tällaisia optimointeja pystymme tekemään helpommin robotin avulla. Voimme myös helpommin tarkastella, miten eri parametrit vaikuttavat vasteeseen.”

Robottialusta säästää resursseja myös siksi, että mittauksissa voidaan käyttää huomattavasti pienempiä näytemääriä, joka vastaavasti tuottaa vähemmän jätettä.

Parempia materiaaleja pitkäkestoiseen energiavarastointiin

Yksi mahdollinen sovelluskohde ovat virtausakut. Toisin kuin perinteiset akut, virtausakut varastoivat energiaa nestemäisiin elektrolyytteihin. Ne ovat erityisen potentiaalinen ratkaisu pitkäkestoiseen energiavarastointiin, jossa sähköä voidaan varastoida useiden tuntien ajan ja käyttää myöhemmin.

“Vanadiinia käytetään tällä hetkellä materiaalina monissa virtausakkujärjestelmissä. Se toimii hyvin ja mahdollistaa pitkän käyttöiän, mutta sen hinta on haaste. Siksi olemme tutkineet materiaaleja, joiden pitäisi olla edullisempia”, Peljo kertoo.

Vanadiini on hopeanvalkoinen metalli ja tärkeä alkuaine muun muassa kemian- ja terästeollisuudelle.

Alustan tarkoituksena on tukea tätä etsintää helpottamalla useiden materiaalien ja erilaisten olosuhteiden testaamista. Tutkijat eivät kuitenkaan vielä väitä löytäneensä korvaavaa materiaalia: 

”Virtausakkujen osalta meillä ei tällä hetkellä oikeastaan ole vielä mitään lupaavia vaihtoehtoja,” Peljo kertoo.

Välitön tulos onkin ennen kaikkea uusi tapa tehdä kokeellista tutkimusta.

Robottialusta soveltuu monenlaiseen sähkökemialliseen tutkimukseen

Vaikka virtausakut ovat yksi mahdollinen sovelluskohde, alusta on suunniteltu laajemminkin sähkökemiallisiin mittauksiin, joissa hyödynnetään nesteitä.

Tutkijat ovat demonstroineet järjestelmää myös erilaisten kemiallisten yhdisteiden kanssa ja tehneet systemaattisia pH-mittauksia. Alusta automatisoi näytteiden käsittelyn, elektrodien asettamisen, mittaukset sekä osan datan käsittelystä.

Laitteiston suunnittelu ja ohjelmisto on julkaistu avoimena lähdekoodina. Tavoitteena on tehdä automatisoidusta sähkökemiallisesta tutkimuksesta helposti myös muiden laboratorioiden hyödynnettävissä olevaa.

”Alamme olla siinä pisteessä, että tällaisen järjestelmän rakentaminen on lähes kaikkien ulottuvilla”, Peljo sanoo.

Pidemmän aikavälin tavoitteena on vähentää materiaalitutkimuksen riippuvuutta hitaasta, manuaalisesta kokeellisesta työstä: automatisoida enemmän mittauksia, tuottaa parempia aineistoja ja hyödyntää niitä materiaalien käyttäytymisen ymmärtämisen ja ennustamisen kehittämisessä.

Työ on osa Marie Skłodowska-Curie (MSCA) -verkostoa, johon kuuluu 17 tohtoriopiskelijaa eri puolilta Eurooppaa. Verkoston yhteisenä tavoitteena on nopeuttaa energiavarastointiin soveltuvien materiaalien kehittämistä. Aallossa yksi tutkimuksen painopisteistä on kokeellisen työn nopeuttaminen.