Auton alkuaineet ovat yhä eksoottisempia ja kalliimpia – Huippuyliopisto selvitti, mitä autoissa tarvitaan jatkossa - Tiede | HS.fi

Auton alkuaineet ovat yhä eksoottisempia ja kalliimpia – Huippuyliopisto selvitti, mitä autoissa tarvitaan jatkossa

Autoissa on keskimäärin 76–82:aa alkuainetta tuoreen tutkimuksen mukaan, joitakin tosin hyvin vähän. Toisaalta kuparia on kilokaupalla, ja sähköisissä autoissa entistä enemmän.

Japanissa Nissan ja Wasedan yliopisto ovat testanneet sähkömoottorien sulattamista kierrätysmetallien erottamiseksi. Tutkija valmistelee moottorin roottoria sulatukseen lisäämällä apuainetta, joka alentaa sulamislämpötilaa.

20.10. 2:00 | Päivitetty 20.10. 6:27

Montako alkuainetta tarvitaan auton rakentamiseen?

Keskimäärin 76 alkuainetta vähintään yhden milligramman verran, kertoo tuore tutkimus.

Jos alle milligramman pitoisuudet lasketaan mukaan, saadaan 82 alkuainetta. Luonnon 94 alkuaineesta 87 prosenttia on otettu autoteollisuuden käyttöön.

Tuloksena on saatu uusia hienouksia, mutta myös taloudellisia päänsärkyjä.

Alusta asti auto on niellyt uusimpia materiaaleja. Yksi Fordin alkuaikojen T-mallin innovaatioista oli teräksen seostaminen vanadiinilla, joka on yhä monille kaukainen alkuaine.

Alkuaineet esiintyvät melkein aina kemiallisten yhdisteiden tai seosten osina, harvoin yksinään. Tyypillisen auton tekemiseen tarvitaan nykyään yli 2 000 yhdistettä.

Sähköistymisen myötä materiaalilista on pidentynyt entisestään. Viime vuosisadalla litiumin ja koboltin tunsivat vain kemistit ja metallurgit. Nyt molemmat sanat ovat juurtuneet arkikieleen.

Parhaillaan opettelemme uusia autoihin liittyviä alkuaineita.

Ladattavan hybridikatumaasturin kahden tonnin massaan sisältyy keskimäärin 860 grammaa neodyymiä, 45 grammaa dysprosiumia, 17 grammaa tantaalia ja kaksi grammaa galliumia – nämä ovat vasta muutama esimerkki.

Laskelmia teki Yhdysvalloissa kuusi materiaalitutkijaa, kolme Massachusettsin teknologisesta instituutista (MIT) ja toiset kolme Fordin tutkimuskeskuksesta.

Työtä johti MIT:n materiaalitutkija Randolph E. Kirchain. Hän on pitkään jäljittänyt materiaalivalintojen ekologisia ja taloudellisia vaikutuksia, paljolti juuri autoteollisuudessa.

Vaikutukset säteilevät laajalle teollisuudessa, joka valmistaa koronalamankin aikana melkein 80 miljoonaa autoa vuodessa.

Autojen materiaalien koostumuksesta on alan merkitykseen nähden ollut kattavaa tietoa hämmästyttävän vähän.

Vanhat tutkimukset ovat keskittyneet rautaan, kupariin ja muihin suurina määrinä käytettyihin alkuaineisiin.

Autoja alkuaineista tuttuja ovat etenkin rauta, jota tarvitaan teräkseen. Paljon tarvitaan myös kuparia.

Tiedot tuttujenkin materiaalien määristä vaihtelevat suuresti. Bremenin yliopiston tutkijoiden yhteenvedon mukaan alin arvio kuparin määrästä hybridiautojen moottoreissa on 7 ja ylin 45 kilogrammaa.

Uusi tutkimus käsitti seitsemän Fordin henkilöautomallia vuosilta 2019–2020.

Neljä oli tavallisimpia porrasperäisiä malleja, joista kaksi perinteisiä polttomoottoriautoja. Yksi oli kevythybridi, joka lataa jarrutusenergialla itseään mutta jota ei voi ladata verkosta. Yksi oli lataushybridi.

Loput kolme tutkittua autoa olivat katumaastureita: puhdas polttomoottoriauto, kevythybridi ja lataushybridi.

Tutkijat analysoivat yli 358 000 asiakirjaa ainekoostumuksen selvittämiseksi. He hyödynsivät kansainvälistä materiaalitiedon järjestelmää, jota käyttää yli 40 autonvalmistajaa ja yli 100 000 osahankkijaa.

Puuttuvien materiaalien määrää selvittämään tutkijaryhmä rakensi useita tekoälyalgoritmeja.

Hyödyntämällä tietoja alkuaineiden keskihinnan vaihtelusta tutkijat laskivat arvoja hankintaketjujen haavoittuvuudelle. Tärkeimpiä riskejä ovat häiriöt kansainvälisissä toimitusketjuissa.

Yalen yliopiston kemisti Thomas E. Graebel, joka ei osallistunut tutkimukseen, sanoo Chemical & Engineering News –lehdessä, että tulokset mahdollistavat materiaalien ”kriittisyyden ja kestävyyden tutkimisen paljon entistä tarkemmin.”

Uutta on määrällinen tieto kriittisyydestä dollareissa ilmaistuna. Kokonaisuuden hahmottaminen helpottuu, kun katsotaan vaikutuksia yksittäisen auton kustannuksiin.

Autot olisivat nykyisinkin halvempia, jos eräät tärkeät materiaalit eivät olisi kriittisiä. Jonkin tai joidenkin riskien toteutuminen nostaa hintoja.

Tilanne on sama kuin luottoluokituksessa. Riskit alentavat luokkaa ja nostavat rahan hintaa. Jonkin riskin toteutuminen nostaa sitä lisää.

Tavallisen porrasperäisen eli sedan-tyyppisen mallin kohdalla polttomoottoriauton hinnan riskilisä on Yhdysvalloissa alle 1 000 dollaria.

Kaikkien hybridien keskimääräinen riskilisä on noin 1 500 dollaria. Erilaisten hybridien välillä on suuria eroja. Lataushybridikatumaasturin riskilisä on reippaasti yli 2 000 dollaria.

Lukuja ei voi kääntää suoraan euroiksi Suomen oloissa, mutta kertaluokan ne näyttävät.

Koboltti on odotetusti kriittinen materiaali dollareissa mitattuna.

Seuraavaksi kriittisimpiä materiaaleja ovat järjestyksessä kupari, alumiini, grafiitti eli hiili sekä nikkeli. Sitten tulee jo harvinainen maametalli, neodyymi.

Koboltti, grafiitti ja neodyymi ovat myös Euroopan unionin strategisten materiaalien luettelossa. Strategisuus on määritelty saatavuuden mukaan. Luetteloissa on pieniä eroja, koska teollisuutta kiinnostaa myös hinta.

Riskialttiita alkuaineita on akkujen ja sähkömoottorien materiaaleissa.

Haavoittuvuus on vain kasvanut, kun autojen voimalinjat sähköistyvät. Kun täyssähköautot yleistyvät, riskit uhkaavat kasvaa edelleen.

Kupari ei ole eurooppalaisessa luokittelussa strateginen materiaali, mutta sekin vaikuttaa laajan käytön takia hintoihin. Jos perinteisessä autossa on karkeasti 20 kilogrammaa kuparia, sähköautossa sitä voi olla 80 kilogrammaa. Kuparin määrää autoissa arvioi esimerkiksi kuparijärjestö.

Materiaalien valikoimaa pystytään autoissa muuttamaan vain rajoitetusti, mutta haavoittuvuuksia voidaan vähentää.

Yksi keino on kierrätys. Akkumateriaalien kierrätykseen on jo toimivaa teknologiaa.

Fortum kertoo kierrättävänsä hydrometallurgisella teknologiallaan yli 80 prosenttia litiumioniakkujen materiaalista.

Akku jauhetaan mustaksi massaksi, josta erotetaan koboltti, mangaani, nikkeli. Uskotaan, että myöhemmin myös litium saadaan erotettua.

Nyt pyritään alentamaan kierrätyksen kustannuksia. Yksi kiinnostava ratkaisu on ”paikalla kierrättäminen” eli materiaalien toimintakyvyn palauttaminen ilman, että akun elektrodeja tarvitsee jauhaa.

Professori Tanja Kallio Aalto-yliopiston kemian ja materiaalitieteen laitokselta tutkii sähkökemiallisen energiatuotannon ja varastoinnin laitteita ja materiaaleja.

Hänen ryhmänsä on osoittanut, että litiumkobolttielektrodein varauskyky voidaan lähes täysin palauttaa sopivalla pintakäsittelyllä.

”Laboratoriomitassa prosessi toimi hyvin”, kertoo Kallio.

”Jos se saadaan toimimaan teollisesti, kierrätys helpottuu paljon, koska elektrodia ei tarvitse silloin hajottaa. Kiinnostusta meidän ratkaisuamme kohtaan onkin heräämässä. Itse haluaisimme jatkaa tutkimusta myös muilla materiaaleilla.”

Laboratoriosta teollisuuteen on vuosien matka, mutta onneksi aikaa on vielä. Nykyisetkin akut kestävät suhteellisen pitkään. Hybridi- ja sähköautojen akkuja tulee kierrätykseen suuria määriä vasta 2030-luvulla.

Lue lisää: Britannian viemäreissä virtaa miljoonien arvosta kultaa ja Suomessa paljon palladiumia

Moottoritekniikassa ongelmia on ratkottu materiaalien vaihdolla, mutta kierrätystäkin aloitellaan.

Tavallisessa sähkömoottorissa on sähkömagneetti, joka toimii kuparilla ja raudalla. Uusissa moottoreissa käytetään kestomagneetteja, joissa on neodyymia, dysprosiumia ja muita maametalleja. Teho kasvaa ja ajomatka pitenee.

Joukko tutkijoita arvelee, että samat ominaisuudet voidaan saavuttaa perinteisilläkin materiaaleilla. Insinöörit ovat kehittäneet moottoreita, joissa hankalia materiaaleja tarvitaan vähän tai ei lainkaan.

BMW:n nykyisistä malleista sähköauto iX3 SUV ei enää vaadi harvinaisia maametalleja. Teslan S- ja X-malleissa toinen sähkömoottoreista on tehty ilman kriittisiä materiaaleja.

Volkswagen on käyttänyt sähköautoissa kestomagneettimoottoria takana ja sähkömagneettimoottoria edessä.

Näkemykset tekniikoiden toteutettavuudesta vaihtelevat. Moottorit ilman harvinaisia metalleja ovat saaneet paljon julkisuutta, mutta noin 80 prosenttia sähköautoista rakennetaan silti yhä käyttäen maametalleja, on tutkimusyritys IDTechEx laskenut.

Siksi autotehtaat tutkivat myös kierrätysvaihtoehtoa. BMW on esitellyt Circular-konseptiauton, joka viestittää nimellään kierrätyksestä. Tutkielman kaltainen auto voi olla markkinoilla vuonna 2040.

Nissan ja Wasedan yliopisto Japanissa ilmoittivat syyskuussa ottaneensa talteen moottoriromusta harvinaisia maametalleja, kuten neodyymia ja dysprosiumia.

Moottori sulatetaan ja metallit erotetaan erilaisilla käsittelyillä. Laboratoriokokeissa on päästy 98 prosentin erotusasteeseen. Prosessi on tarkoitus ottaa teolliseen käyttöön kuluvan vuosikymmenen puolivälissä.

Tekniikoiden kehityksen suunnasta riippumatta tutkijat ja autoilijat seuraavat jatkossa paljon tarkemmin kuin tähän asti, mitä alkuaineita auto on syönyt.

Lue lisää: Norja aikoo kaivaa merenpohjasta metalleja öljyn ja kaasun jälkeen – haasteena on varjella meriluontoa samalla

Artikkeliin liittyviä aiheita

Osaston uusimmat

Luitko jo nämä?

Osaston luetuimmat