Ökoloogilise jalajälje vähendamiseks on vaja seadmeid, mis aitaksid edukalt energiat muundada ning liikuda alternatiivsemate energiatootmise võimaluste poole võrreldes fossiilsete kütustega. Carolin Siimensoni doktoritöö just sellele keskenduski.

Hiljaaegu oma doktoritööd kaitsnud keemik Carolin Siimenson rääkis, et energiatootmis- ning salvestusseadmeid on palju, kuid neil on üks ühine osa – elektrolüüt ehk elektrijuht. 

Elektrolüüt on aine, mille elektrijuhtivus põhineb ioonide vabal liikumisel. Kõige tüüpilisem elektrolüüt on ioonne lahus, kuid elektrolüüt võib olla ka tahke või vedel aine, näiteks metall.

Ioonsed vedelikud on põhimõtteliselt soolad. Lauasoolast erinevad ioonsed vedelikud sellepoolest, et toatemperatuuril on need enamasti vedelad. 

Lauasool ehk naatriumkloriid võib ka iseenesest olla vedel, aga mitte toatemperatuuril. 

Vedelatel sooladel on katioo­nid ja anioonid ehk pluss ja miinus. Tavaliselt on pluss ioon hästi suur ja miinus ioon on väiksem, ning see on üks põhjus, miks nad tahavad olla vedelad. Aga on ka selliseid vedelaid sooli, mis on toatemperatuuril tahked.  

Ioonseid vedelikke on võimalik sünteesida miljoneid, sest katioone ja anioone, mida oma­vahel kokku pannes saadakse vedel sool, on väga palju. Ioonseid vedelikke ei ole Siimensoni sõnul eriti keeruline valmistada, kuid üldiselt on neid raske puhastada ning seetõttu on osad neist ka suhteliselt kallid.

Superkondensaatorite, patareide, päikesepatareide ja kütuseelementide korral sõltub nende tõhusus ja eluiga väga palju elektrolüüdist, mida kasutatakse.

Aitavad probleeme lahendada

Klassikalised vesilahustel põhinevad elektrolüüdid ei võimalda aga disainida suure energia ja võimsustihedusega kondensaatoreid, sest nende puhul hakkab piirama vee elektrokeemiline lagunemine. 

Seega võivadki ioonsed vedelikud lahendada eelmainitud probleeme, olles keemiliselt ja elektrokeemiliselt stabiilsed elektrolüüdid laias potentsiaalide ja temperatuuride vahemikes. 

Siimenson rääkis, et tema töö eesmärk oli elektroodi ja elektrolüüdi piirpinna iseloomustamine ja karakteriseerimine. Neid omadusi on vaja uurida selleks, et jõuda praktilise osani. 

Igasuguste uute energia salvestus- ja tootmisseadmete jaoks on vaja välja töötada odavamaid ja keskkonnasõbralikemaid elektrolüüte, sest näiteks patareide ja kütuseelementide korral sõltub nende tõhusus ja eluiga paljuski just kasutatavast elektrolüüdist. 

Siimenson uuris oma töös täpsemalt ioonsete vedelike kui elektrolüütide käitumist vismuti ja süsinikelektroodi pinnal. Vismut on perioodilisustabelis viimane mitteradioktiivne element ja kuulub kõikide kergsulavate sulamite koostisesse. 

Viimase omaduse tõttu kasutatakse seda ka tuletõrje signaalsüsteemides – temperatuuri tõustes muutuvad vismuti sulamid vedelaks, vallandades päästva veejoa. 

Mõõtmisi tegi keemik mitmes erinevas ioonses vedelikus ning ka nende segudes. Anioonidest keskenduti halogeniididele, sest varasemast on teada, et jood ja broom omavad tugevat adsorptsiooni nii vismutil kui ka süsinikmaterjalidel.

Siimenson leidis, et halogeniidide lisamine ioonsete vedelike koostisse mõjutab oluliselt elektrilise kaksikkihi parameetreid ning tõstab mahtuvuse väärtusi. Katse tulemusena tuli ka välja, et käsitletud elektrolüüte sobib kasutada superkondensaatorites.

Keemik rääkis, et ioonsete vedelike puhul on huvitav see, et kunagi ei tea, mis tulemus tuleb. «Sa võtad ühe ja teise omadusega vedeliku ja uurid või paned kokku midagi, aga tulemused suudavad ikka üllatada,» ütles ta. 

Siimenson seletas, et alguses hakkas ta vaatama, kuidas ioonsed lahused käituvad ja kas neid on võimalik süsteemis mõõta ja kirjeldada. Põnev oli siis, kui kasutusele võeti uus sool, mis ostetakse tootjatelt. 

Ta seletas, et iseenesest on võimalik soola ka ise sünteesida, aga seda puhtalt ja mõistlikult teha on hoopis teine asi. Puhtalt tähendab seda, et puhtus­aste peaks olema peaaegu sada protsenti ja seal ei tohiks olla teisi lisandeid peale soovitud katiooni ja aniooni, näiteks vett.  

Soola puhastamine on üsna kallis

Töö käigus püüdis keemik sooli mitte puhastada, sest siis on palju suurem võimalus oma teabe abil masstootmisesse minna. 

«Kui me leiame soola, mis on väga hea ja mida saab kasutada nii, et seda ei pea laboritingimustes puhastama – see on tohutult kallis –, siis on palju suurem tõenäosus toota elektrokeemilist seadet,» seletas ta. 

Siimenson rääkis, et tema doktoritöö on oluline selleks, et leida alternatiive veele kui elektrolüüdile. Kui vett saab kasutada lahustina, siis on see väga hea, sest niisugune kasutusviis on keskkonnasõbralik. Samas on vee kasutamine piiratud selle lagunemise tõttu: ühelt poolt tuleb hapnik ära, teiselt poolt vesinik. 

Orgaaniliste ühenditega saab teha paremaid elektrokeemilisi seadmeid, aga need on Siimensoni sõnul keskkonnaohtlikud ja kergesti süttivad. 

Ta tõi näite, et kui võtaksime plahvatava Samsungi aku, millest on viimasel ajal palju räägitud, ja asendaksime sealsed elektrolüüdid või segaksime ioonsete vedelikega, siis oleks aku põlema minemise oht palju väiksem. 

Siimenson rääkis, et kõik ioonsed vedelikud pole rohelised ja keskkonnasõbralikud, aga paljud neist on keskkonnasõbralikumad kui teised orgaanilised ühendid ja seeläbi on ka ökoloogiline jalajälg väiksem. 

Praegu tegeleb Siimenson patareide kokkupanemisega ja õpib juurde, kuidas väikseid nööbi­kujulisi patareisid teha. Ta rääkis, et enamik katseid tehakse siiski suures metallist rakus. 

Keemik seletas, et patareisid on hea uurida suures rakus, sest nii on neid võimalik lahti võtta ja kõik kihid eraldada – pärast mõõtmist on vaja näha, mis on juhtunud ja kas on näiteks tekkinud lühis või on mingi asi ära lagunenud, või on kuskilt midagi lahti tulnud. 

Siimenson rääkis, et see tegevus on uurimisjärgus teistsugune, sest võimaldab igat osist pärast mõõtmist analüüsida ja vaadata, mis juhtus. Isegi palja silmaga on võimalik näha, mis on lahti, ilma et peaks seadme kuskile mikroskoobi alla panema.

Keemik ütles, et kogu töö juures on kõige aeganõudvam osa andmeanalüüs. Rakkude mõõtmine ise ei olevat ajakulukas. 

«Meil on head masinad ja süsteemid, kus saame hästi palju rakke korraga mõõta,» sõnas ta. Programmi, mille abil mõõdetakse, on võimalik interneti teel või telefonis jälgida. 

Keemik rääkis, et esimest katset tehes istutakse tavaliselt juures ja vaadatakse, mis juhtub ja kuidas miski käitub. Näiteks monokristallide puhul on võimalik kristall ära rikkuda või sootuks ära lahustada. 

Kui aga on teada, kuidas mõõta, siis alustatakse pehmete parameetritega ning samal ajal saab jälgida, kuidas rakud käituvad. Hiljem saab mõõta ka karmimates tingimustes.

Ioonsed vedelikud patareidesse

Siimenson rääkis, et nüüd proovivad nad ioonseid vedelikke patareidesse panna; paar katsetust on praeguseks juba tehtud. Ta ütles, et liitium käitub paremini, aga naatriumiga on lood veidi keerulisemad. Teoreetiliselt võiks see töötada, aga praktikas pole teadlased veel selleni jõudnud. 

Keemik tõi välja ka selle, et Tartu ülikoolis on head võimalused teaduse tegemiseks. Neil on heal tasemel labor, mis ei jää millegi poolest alla mujal maailmas olevatele.

Kui Siimenson kirjeldatud teema uurimisega alustas, oli see üsna uus ja väheuuritud ala. Ta rääkis, et selle aasta esimesel aprillil kirjutati ka Sirbis ioonsetest vedelikest. Seda artiklit oli ühes raadiosaates arutatud ning saatejuhid olid arvanud, et see on aprillinali, sest soolad ei saa olla vedelad. Tuleb aga välja, et saavad küll.