Teksti Kemia-lehti ja Suomalaisten Kemistien Seura, kuva Haastateltavan kotialbumi
Siarhei Balshakou sai Suomalaisten Kemistien Seuran Nuorten tutkijain palkinnon 2025. Tunnustuksesta yllättynyt mies teki tutkielman, jonka tulokset voivat auttaa lentoliikenteen fossiilittomien polttoaineiden kehitystä. Lue perustelut ja Balshakoun mietteet.
Seuran Nuorten Tutkijain tunnustuspalkinnon saaja valitaan suomalaisten yliopistojen kemian tai kemiantekniikan alalla tekemien maisterintutkielmien joukosta.
Siarhei Balshakou palkittiin hänen DI-tutkintoonsa liittyvästä –tutkielmasta, jonka otsikko on ”Production of fuel fractions from renewable ethene-propene mixture over Ni/HZSM-5”.
Tutkimustyö on tehty LUT-yliopiston kemiantekniikan koulutusohjelmassa.
Lentoliikenteen, erityisesti mannertenvälisen pitkien lentojen määrän ennustetaan kasvavan nopeasti ja sen myötä myös lentopolttoaineiden kysyntä kasvaa jatkuvasti. Tämä lisää merkittävästi nestemäisten hiilivetyjen tarvetta. Samalla perinteisten fossiilisten raaka-aineiden vähentyessä on kehitettävä vaihtoehtoisia ei-fossiilisia polttoaineita, jotka täyttävät perinteiset lentokoneiden moottoreiden vaatimukset.
Tässä opinnäytetyössä erityisen kiinnostava aihe on kevyiden olefiinien muuttaminen katalyyttisesti synteettisiksi, nestemäisiksi polttoaineiksi. Tutkimus keskittyy eteenin ja propeenin oligomeroitumiseen.
Nämä ovat maailmanlaajuisesti eniten käytettyjä olefiinisia lähtöaineita, kun tuotetaan käytäntöön soveltuvia lentopolttoainefraktioita.
Molempia monomeereja voidaan vaihtoehtoisesti syntetisoida kestävästi ei-fossiilisista lähteistä, kuten e-metanolista osana ”metanolista olefiineiksi” -prosessia, esimerkiksi tuotettaessa bioetanolia puusta, ruohosta tai viljelykasveista, tai hajoavista jätepolymeereistä.
Reaktion katalyyttien löytäminen iso haaste
Vaikka olefiinien oligomerointi on ollut tunnettua vuosikymmeniä, sopivien reaktiossa tarvittavien katalyyttien löytäminen on edelleen merkittävä haaste. Vaatimuksena näille katalyyteille on pitkäaikainen stabiilisuus sekä selektiivisyys tiettyjä fraktioita kohtaan.
Lisäksi katalyyttien on mahdollistettava korkeat konversiotasot ja saannot, sekä oltava taloudellisesti kannattavia teollisissa olosuhteissa.
Katalyyttien tulisi edistää ainoastaan lineaaristen hiiliketjujen muodostumista, sillä haarautuneiden tai syklisten hiilivetyjen muodostuminen vähentää tuotteena muodostuvien seosten hyödynnettävyyttä polttoaineina.
Tutkimuksen kokeellisessa osassa käytettiin hapanta mesohuokoista zeoliittia (HZSM-5), jonka Si/Al-suhde oli 30 %, jonka lisäksi varioitiin Ni-pitoisuutta (0 paino-%, 0,42 paino-% ja 0,63 paino-%) sovelletussa märkäkyllästysmenetelmässä. Ennen kokeita katalyytit karakterisoitiin XRD, SEM ja EDS-menetelmillä.
Käyttöolosuhteet kuten lämpötila, paine ja vaihtumanopeus, vaikuttavat suuresti kemiallisen koostumuksen muuntumiseen, tuotteen tuottoon ja rakennejakaumaan. Vaikka alhaisemmat lämpötilat suosivat termodynaamisesti oligomerisaatiota, yli 300 °C lämpötila edesauttaa bensiinin kaltaisten fraktioiden osuuden kasvua. Lisäksi selektiivisyys lentopolttoainefraktion muodostumiseksi kasvaa 48 %:sta 65 %:iin, kun paine kaksinkertaistetaan 20 baarista 40 baariin.
Nikkelihiukkasten sisällyttäminen katalyytin zeoliittirunkoon muuttaa dramaattisesti katalyytin suorituskykyä ja tuotteiden jakaumaa. 300 °C:ssa, 30 baarin paineessa ja eteenin syötöllä saavutetaan 90 min kuluessa lähes 100 % konversio verrattuna noin 10 % konversioon vastaavassa katalyyttinäytteessä ilman lisättyä nikkeliä.
”Systemaattinen ja linjakas toteutus”
Arviointilautakunta on päätynyt palkintoehdotukseen tutkimustyössä osoitetun työn suunnittelun, toteutuksen ja tulosten analysoinnin systemaattisuuden ja linjakkuuden perusteella.
Työn tekijä osoittaa laaja-alaisesti hallitsevansa työn kemialliset perusteet ja tulosten analysointiin liittyvän menetelmäosaamisen.
Lisäksi työn tulosten selkeä ja täsmällinen raportointi on omiaan täydentämään näkemystä kemian osaamisen ja menetelmien ymmärtämisen tärkeydestä lähtökohtana laaja-alaisemmalle ja yhteiskunnallisesti merkittävälle kemian osaamiselle, erityisesti niinkin ajankohtaisessa aihekokonaisuudessa kuin kestävän kehityksen mukaisessa lentopolttoaineiden tuotekehityksessä.
”Parasta motivaatiota on nähdä oman työnsä tuottavan konkreettisia tuloksia.”
Miksi valitsit tämän tutkimusaiheen?
LUT-yliopisto on Suomessa ilmastotoimien edelläkävijä, joten tutkimusaiheen valinta oli tavallaan väistämätöntä.
Kesällä 2023 pääsin ensimmäistä kertaa työskentelemään professori Tuomas Koirasen tutkimusryhmässä, ja siellä tutustuin Flow Reactoriin. Se oli todellinen vau-hetki. Syötin reaktoriin hiilidioksidia ja vetyä, ja lopputuloksena kolmen tunnin päästä sain pari pisaraa nestemäistä metanolia.
Kun aloitin diplomityöni, halusin jatkaa tutkimusta, mutta sukeltaa syvemmälle ja haastaa itseäni lisää. Päädyin tutkimaan olefiinien oligomerisaatiota, reaktiota, jossa voi syntyä satoja eri tuotteita samaan aikaan. Se on siis todellinen kemiallinen palapeli.
Lisäksi tutkimus vaati paljon kaasukromatografian käyttöä. Se oli taito, jonka halusin ehdottomasti oppia paremmin.
Lopulta tämä aihe yhdisti kaikki ne asiat, jotka minua kiehtovat: uutta teknologiaa, monimutkaisia prosesseja ja kiinnostavaa laboratoriotyötä.
Mikä aiheessa innostaa ja mikä on yllättänyt sinut?
Se, kuinka monimutkainen reaktioiden ketju voi olla. Otamme lähtöaineeksi jotain niin yksinkertaista kuin eteenin ( kaksi hiiliatomia, neljä vetyatomia, yksi pienimmistä mahdollisista molekyyleistä) ja lopputuloksena saamme satoja erilaisia orgaanisia yhdisteitä: suoria, haarautuneita, tyydyttyneitä, tyydyttymättömiä, sykloituneita. Kuin leikkisi legoilla.
Vaikka käytössä olisi vain kaksi erilaista palikkaa, niitä voi yhdistellä ja rakentaa mitä tahansa, mitä vain mielikuvitus keksii.
Ja juuri siksi reaktiosysteemi on niin herkkä pienillekin muutoksille. Pienetkin erot lämpötilassa, eli vaikka 10-20°C, tai paineessa voivat vaikuttaa valtavasti lopputulokseen. Tämä yllätti minut. Tuotekoostumus voi muuttua radikaalisti vain siksi, että reaktio tapahtuu aavistuksen erilaisissa olosuhteissa. Se on kiehtovaa.
Miten jatkat tutkimustasi ja mikä on tavoitteesi?
Olen vasta aloittanut väitöskirjatutkimukseni. Aihe pysyy P2X-teknologioiden ja vihreän siirtymän parissa, mutta se on silti erilainen kuin diplomityöni.
Tällä hetkellä vihreästä metanolista puhutaan paljon. Sitä valmistetaan vedyn ja hiilidioksidin avulla. Vety taas saadaan veden elektrolyysillä, mikä on kallis prosessi. Harvemmin muistetaan, että hiilidioksidin vedyttämisessä syntyy myös vettä.
Eli ensin käytämme valtavasti rahaa hajottaaksemme veden, ja lopulta saamme sen takaisin reaktion lopputuotteena.
Perinteinen metanolintuotanto hiilimonoksidista on ollut käytössä jo yli 100 vuotta. Se on tehokas prosessi, mutta ei kestävä, koska sekä prosessissa käytetty hiili että maakaasu ovat fossiilisia. Joten miksi emme etsisi keinoja tuottaa hiilimonoksidia ei-fossiilisista lähteistä?
Minulle suurin tavoite olisi nähdä tutkimustulosteni päätyvän käytännön sovelluksiin. Ei välttämättä heti teollisessa mittakaavassa, vaan vaikka pienen pilottilaitoksen muodossa.
Parasta mahdollista motivaatiota on nähdä oman työnsä tuottavan konkreettisia tuloksia.
Mitä ajattelet nyt saamastasi palkinnosta?
Olen vieläkin vähän hämmentynyt. Ensimmäinen ajatukseni oli: ”Hetkinen, ei voi olla totta, tämähän on jokin kyberhuijaus”.
Lähetin viestin puolisolleni, ja hänen reaktionsa oli: ”Varmasti huijareita”.
Olinhan vain tehnyt diplomityöni. Mutta totta kai olen kiitollinen tästä tunnustuksesta.
Haluan ehdottomasti kiittää tutkimusryhmän johtajaa, professori Tuomas Koirasta, ohjaajiani, professori Arto Laaria ja tekniikan tohtori Abayneh Demesaa, sekä kollegoitani Mariia Vinogradovaa ja Santeri Kurkista. Suurin kiitos kuuluu myös perheelleni ja vanhemmilleni. Ilman teitä tämä ei olisi ollut mahdollista!
