Ensisilmäyksellä fysiikka voi vaikuttaa olevan kaukana nykymaailman ratkaisua vaativista ongelmista, kuten ilmastonmuutoksesta. Todellisuudessa se on kuitenkin niiden ytimessä. Fysiikka on fundamentaalitiede, joka tutkii maailman toimintaan liittyviä perusilmiöitä – ainetta, energiaa ja luonnonlakeja.
“Kun ymmärrämme näitä ilmiöitä, pystymme ymmärtämään myös niihin liittyviä tapahtumakulkuja. Perustutkimus on perusta koko maailmankaikkeuden ymmärtämiselle. Siksi onkin tärkeää tehdä myös perustiedettä soveltavan tutkimuksen lisäksi”, LUTin fysiikan professori Panja Luukka toteaa.
Fysiikalla on keskeinen rooli esimerkiksi tehokkaassa datankäsittelyssä, yhteiskunnan sähköistymisessä ja resursseja viisaasti käyttävien koneiden valmistamisessa. LUTissa on esimerkiksi onnistuttu tulostamaan ensimmäistä kertaa maailmassa älymateriaalista yhdellä kertaa laite, jossa on sekä liikkuvia että liikkumattomia osia.
Hiukkasfysiikan osaamista hyödynnetään suurissa teknologiayrityksissä
Sekä Luukka että hänen kollegansa professori Henning Kirschenmann ovat työskennelleet urallaan Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNissä. Hiukkasfysiikka tutkii universumin pienimpiä rakennuspalikoita eli alkeishiukkasia. Tästä huolimatta sillä on yllättävän suuri merkitys arkipäiväiselle elämällemme.
”CERNissä tutkitaan asioita, joita ei voida tutkia missään muualla. Perustutkimuksen lisäksi siellä tehdään uusia oivalluksia ja kehitetään työkaluja, jotka voivat muuttaa kokonaisia toimialoja. Hiukkasfysiikka on avannut toistuvasti ovia mullistaville teknologioille, joita pidämme nyt itsestäänselvyyksinä. Näin on käynyt aina elektronin löytämisestä nykypäivän kehittyneiden tunnistimien kehittämiseen”, Kirschenmann kertoo.
Esimerkiksi internet tai tarkemmin sanottuna World Wide Web on kehitetty CERNissä vuonna 1989. World Wide Webin ansiosta alun perin yliopistojen tarpeisiin keksitty internet tuli myös tavallisten ihmisten saataville.
Hiukkasfysiikan tutkimus on vaikuttanut merkittävästi myös datan käsittelyyn. CERNin suurin hiukkastörmäytin, The Large Hadron Collider, tuottaa törmäytyksissä käsittämättömän määrän tietoa, joka on käsiteltävä reaaliajassa.
Tiedonkäsittely vaatii automaattisia ja nopeita päätöksiä, joita varten CERNissä on kehitetty algoritmejä ja koneoppimista. Nämä teknologian läpimurrot ovat suoraan hyödynnettävissä esimerkiksi autonomiseen eli itseohjautuvassa ajamiseen, jossa ajoneuvojen täytyy pystyä analysoimaan dataa sekunnin murto-osassa liikkuakseen turvallisesti.
”Monet hiukkasfysiikan tutkimuksen alumnit ovatkin huomanneet, että heidän CERNissä hiomansa datankäsittelytaidot, niin sanottu data crunching, ovat erittäin hyödyllisiä myös korkean profiilin teollisuuden tehtävissä. Yllättävän suuri osa kollegoistani ja entisistä opiskelijoistani työskentelee nykyään suurissa teknologiayrityksissä”, Kirschenmann sanoo.
Fyysikko löysi puolijohteet, jotka ovat perusta nykypäivän sähköistymiselle
Myös yhteiskunnan sähköistyminen perustuu fysiikan tutkimukseen. Jo 1900-luvun alussa intialaisen fyysikon löytämät puolijohteet ovat edelleen keskeisiä esimerkiksi modernissa teknologiassa. Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka johtavat sähköä paremmin kuin eristeet, mutta huonommin kuin metallit.
”Fysiikalla on paljon annettavaa sähköistymiselle, sillä fysiikka auttaa meitä ymmärtämään siihen liittyviä perustavanlaatuisia ilmiöitä. Pystymme selvittämään, miksi joku komponentti hajoaa tai miksei se toimi luotettavasti”, Panja Luukka kertoo.
Tällä hetkellä puolijohdeteknologian keskiössä on miniatyrisointi. Puolijohteiden avulla pyritään sekä vähentämään laitteiden tehonkulutusta että tekemään niistä esimerkiksi nopeampia. Käytännössä puolijohdeteknologiassa tähdätään laitteiden optimointiin.
Toivomme, että Suomeen rakennettaisiin puolijohdesirutehdas.
”Suomessa on paljon puolijohteisiin perustuvaa huipputeknologiaa. Tällä hetkellä toivomme, että tänne rakennettaisiin seuraava merkittävä puolijohdesirutehdas. Teknisen osaamisen ja korkeasti koulutetun työvoiman lisäksi meillä on puhdasta vettä ja edullista sähköä, joita tehdas tarvitsee. Eikä meillä ole maanjäristyksiä, jotka ovat riski tällaisen laitoksen toiminnalle.”
Fysiikan merkitys sähköistymisessä näkyy myös LUTissa. Luukka kertoo, että LUTin fysiikan osasto tekee koko ajan tiiviimmin yhteistyötä sähkötekniikan osaston kanssa.
”Emme ala fysiikalla tekemään sähköautoja, mutta tuomme osaamistammeesimerkiksi sähköistämiseen liittyvään luotettavuustutkimukseen, jossa pyritään parantamaan sähköisen liikenteen turvallisuutta. Fysiikan ja sähkötekniikan yhteistyöllä on tässä merkittävä rooli.”
Materiaalifysiikka tuo materiaaleihin älyn
Puolijohteiden ansiosta monet elektroniset laitteet ovat pienentyneet samalla, kun niiden suorituskyky on kasvanut. Samankaltainen kehityskulku on parhaillaan menossa konetekniikassa, jossa moniosaisten koneiden perinteisiä materiaaleja korvataan älykkäillä materiaalirakenteilla. Tässä tarvitaan materiaalifysiikkaa.
Älymateriaalit eivät korvaa kokonaisia koneita, mutta niiden avulla voidaan valmistaa aiempaa pienempiä koneita tinkimättä niiden tehosta. Sen sijaan, että koneessa olisi esimerkiksi useita eri osia, jotka tuottavat liikettä, voi liikkeen tuottaa tietynlainen älymateriaali.
”Käytän tästä havainnollistavana esimerkkinä usein ompelukonetta. Nykyisissä ompelukoneissa on lukuisia eri osia, jotka liikuttavat neulaa. Jos neula valmistettaisiin liikettä tuottavasta älymateriaalista, ei sen liikuttamiseen tarvittaisi erillisiä osia”, fysiikan professori Kari Ullakko kertoo.
Tavallaan neula siis liikkuisi itsestään. Ullakko tosin korostaa, että esimerkki ompelukoneen neulasta kertoo vain konseptista. Todellisuudessa älymateriaalista valmistettaisiin ensisijaisesti esimerkiksi erilaisia pumppuja.
Tilaa Curious People -uutiskirje
Älymateriaalit voivat mullistaa konetekniikan
LUTin fysiikan osastolla tutkitaan parhaillaan, miten älymateriaalista valmistettuja toiminnallisia laitteita voitaisiin tehdä yhdellä 3D-tulostuksella.
”Tulostaisimme siis samalla kertaa itse laitteen ja sen liikettä tuottavan osan. Juuri ennen joulua yksi ryhmämme tutkijoista onnistui tulostamaan samalla kertaa liikettä tuottavan pilarin ja sitä ympäröivän tukirakenteen, joka ei tuota liikettä. Tällaista kukaan maailmassa ei ole tehnyt aiemmin”, Ullakko kertoo.
Älymateriaalina tutkimuksessa käytetään Ullakon itse 1990-luvulla MIT:ssa kehittämää magneettista muistimetallia.
Älymateriaalit mahdollistavat puolijohdeteknologian tapaan laitteiden miniatyrisoinnin, mikä säästää resursseja. Kun laite valmistetaan älymateriaalista tulostamalla, ei materiaalihukkaa synny ollenkaan. Lisäksi tulostuksen ansiosta laitteet voi valmistaa paikan päällä, mikä parantaa huoltovarmuutta ja vähentää tarvetta pitkän matkan logistiikalle.
Tällaista ei ole kukaan maailmassa tehnyt aiemmin.
"Äly korvaa massan. Pyrimme tekemään vaatimattomasti älymateriaaleilla samanlaisen mullistuksen konetekniikkaan kuin puolijohteet tekivät aikoinaan elektroniikassa”, Ullakko selittää.
Älymateriaalien mullistava vaikutus ulottuu teknologian lisäksi myös laajemmin yhteiskuntaan. Ullakko johti vuonna 2023 päättynyttä Strategisen Tutkimuksen Neuvoston rahoittamaa Valmistus 4.0 -tutkimushanketta, jossa 3D-tulostuksen ja teollisen automaation vaikutuksia tutkittiin laajasti myös talouden, koulutuksen ja sosiaalipolitiikan näkökulmasta.
”Silloin olimme tutkimuksemme tarkoituksen ytimessä. Fysiikka ja myös tekniikka ovat tieteitä, jotka eivät saa elää vain itselleen. Niiden tulee palvella yhteiskuntaa.”
Lisätietoja:
Henning Kirschenmann
