Nanoselluloosasta seuraava hiilikuitu? Japanilaistutkijat uskovat puuhun

Japanilaisen Kioton yliopiston ja Toyotan alihankkijoiden yhteinen tutkimushanke lupailee tuovansa kevyet ja jäykät selluloosan nanokuidut autovalmistajien sarjatuotantoon.

Digiajasta huolimatta perinteinen selluloosa on pitämässä pintansa vielä pitkälle tulevaisuuteen, sillä autovalmistajat etsivät jatkuvasti uusia materiaaleja ajoneuvojen keventämiseksi. Nyt Reuters raportoi Kioton yliopiston tutkijoiden ja autoalan alihankkijoiden kehittäneen prosessin, jolla kotoisasta puukuidusta saadaan kevyt mutta luja korvike jopa teräkselle autoteollisuudessa.

Japanilaistutkijoiden mukaan selluloosasta valmistettu nanokuitu painaa vain viidesosan teräksestä ja materiaali voi olla jopa viisi kertaa terästä vahvempaa. Selluloosakuidut hienonnetaan muutaman sadasosamikrometrin kokoisiksi, yhdistäen ne sen jälkeen muovien kanssa. Nanosellua on käytetty jo pidempään muun muassa läpinäkyvistä näytöistä erilaisiin musteisiin. Materiaalia ja sen lähes rajattomia käyttökohteita on tutkittu laajasti Suomessakin aina yliopistoista yrityksiin ja valtion tutkimuslaitoksiin.

Nyt Japanissa kehitetyssä niin sanotussa Kioton prosessissa kemiallisesti käsitellyt puukuidut vaivataan osaksi muoveja samalla, kun ne pilkotaan nanokuiduiksi. Menetelmän ansiosta nanosellun valmistuskustannukset tippuvat noin viidesosaan muista vastaavista menetelmistä, joten materiaalin tulevaisuudessa häämöttävät sarjatuotantomahdollisuudet.

– Tämä on matalahintaisinta ja parhaiten suoriutuvaa käyttöä selluloosan nanokuiduille, ja siksi keskitämme sen käytön auto- ja ilmailuteollisuuden komponentteihin, kommentoi Kioton yliopistossa tutkimusta johtava professori Hiroaki Yano.

Inspiraatio tutkimustyöhön tuli miljonääri Howard Hughesin puisesta "Spruce Goose" -lentoveneestä, joka kirjasi nimiinsä maailman suurimman lentokoneen tittelin vuonna 1947.
– Ajattelin, että jos Howard Hughes löysi keinon käyttää puuta massiivisessa lentokoneessa, miksei voisi käyttää puuta teräksen lujuisen materiaalin kehittämiseen, Yano kommentoi tutkimushankettaan.

Kioton yliopiston lisäksi mukana hankkeessa ovat mukana Toyotan suurin alihankkija Denso sekä Toyotalle ja Mazdalle alihankintaa suorittava DaikyoNishikawa.
– Olemme käyttäneet muoveja korvikkeena teräkselle ja toivomme, että nanoselluloosa laajentaa näitä mahdollisuuksia, kommentoi DaikyoNishikawaa edustava Yukihiko Ishino.

Autovalmistajille painonsäästö on tärkeä osa varsinkin sähköautojen kehitystyötä. Säästöillä tasapainotetaan akustojen tuomaa painokuormaa, mutta samalla parannetaan autojen taloudellisuutta, vähentäen myös akkujen tarvetta. Esimerkiksi BMW luottaa i3-sähköautonsa korirakenteessa CFRP-hiilikuitupolymeeriin ja baijerilaismerkki onkin panostanut voimakkaasti hiilikuituosaamiseensa viime vuosina.

– Kevyet rakenteet ovat jatkuva kulmakivi meille. Meidän täytyy kuitenkin ratkaista myös korkeat sarjatuotantokustannukset ennen kuin näemme lisää uusia keveitä materiaaleja sarjatuotantoautoissa, kommentoi Toyotan korisuunnittelusta vastaava projektipäällikkö Masanori Matsushiro.

Viime vuonna Toyota esitteli perinteisemmin puuta hyödyntävän Setsuna-konseptiauton, jonka ajatuksena oli juhlia puun muuttuvaa luonnetta ja tavoitella autolla kulutusesineen sijaan perintökalun asemaa. Valmistajan visioissa ikääntyvä puuauto paranisi vanhetessaan ja saavuttaisi ehkä lopulta oman viisauden tsukumogami-uskomuksen mukaisesti.

Sarjatuotantomahdollisuudet horisontissa

Tällä hetkellä kilogramma nanoselluloosaa on valmistuskustannuksiltaan noin 9 dollaria, mutta Yano työryhmineen tähtää hinnan puolittamiseen vuoteen 2030 mennessä. Autoteollisuuteen materiaalia kaavaillaan 2020 tienoilla. Kilpailu on silti kovaa, sillä yhä laajemmin käytetyn hiilikuidun hinnaksi saataneen noin 10 dollaria kilolta 2025 mennessä. Vertailun vuoksi nykyisin yleiset teräs ja alumiini maksavat kilogrammalta vain 2 dollaria.

Analyytikkojen mukaan suurlujuusteräs ja alumiini ovat vielä lähivuosina kuitenkin uusia materiaaleja suositumpia. Edullisuuden lisäksi suurlujuuteräs ja alumiini ovat myös helposti kierrätettäviä materiaaleja. Sarjatuotantoympäristössä materiaalien käyttöön vaikuttaa myös tuotantolinjojen suunnittelu metallityöskentelyn mukaan sekä se, että nanosellun tapaiset uudet materiaalit täytyy voida kiinnittää myös auton muihin osiin.

Lux Researchin materiaalianalyytikko Anthony Vicarin mukaan olisi iso juttu, jos Yanon tutkimusryhmän ennusteet käyvät toteen. Toistaiseksi analyytikon mukaan ilmassa leijuu kuitenkin iso "jos".

Lähteet: Reuters, VTT, Biotalous Kuvituskuvat: Aake Kinnunen, Toyota