Pakina, Tuomo Tiainen: Alkuaine vanadiinin sähköiset seikkailut

Osa 10. Alkuaine vanadiini löytää vastauksia

Alkuaine vanadiinin päässä myllersi. Se oli juuri tajunnut, että koko terästehtaan kuonakasasta alkanut pitkä matka monimutkaisine puhdistautumisriitteineen oli tähdännyt tähän kaksiosaiseen systeemiin, jossa alkuaine vanadiini nyt majaili. Se oli myös ymmärtänyt, että koko systeemin tarkoitus oli saada elektroneja virtaamaan osasysteemistä toiseen ja taas takaisin osasysteemien välistä metallijohtoa pitkin.

Vielä oli selvitettävä, miksi tällainen edestakainen elektronivirtaus oli niin tärkeää, että sen aikaansaamiseksi kannatti nähdä kaikki alkuaine vanadiinin matkallaan kokema vaiva ja sen päälle vielä tällaisen systeemin rakentaminen. Sekin, miksi juuri vanadiini nähtiin tässä systeemissä tärkeäksi, askarrutti vielä mieltä.

Alkuaine vanadiini tiesi ennestään, että sähkövirta on elektronien liikettä. Osasysteemien huopalaattojen välillä olevassa metallilangassa kulki siis sähkövirta aina pumppujen käydessä ja virran suunta muuttui aina käyntijaksojen välillä. Se tiesi myös, että monet niistä jauhimista ja muista vekottimista, joita se oli puhdistautumisriittinsä aikana kohdannut, toimivat sähkövirralla.

Siinä osasysteemissä, missä alkuaine vanadiini nyt oleskeli, pumpun käydessä vapautuvat elektronit kulkivat sähkövirtana toiseen osasysteemiin, jossa elektroneja kaipaavat vanadiiniatomit ottivat ne kiitollisina vastaan. Ne siis ikään kuin varastoituivat tähän osasysteemiin, johon kertyi lähtötilanteeseen verrattuna ylimäärä elektroneja. Kun pumppu käynnistyi uudelleen, nämä varastoidut ylimääräiset elektronit palasivat sähkövirtana…

Hei hyvänen aika: siinähän se koko juju oli! Koko systeemi oli itse asiassa sähkövarasto! Yhden käyntijakson aikana toiseen osasysteemiin ikään kuin ladattiin sähkövirtaa. Toisen käyntijakson aikana sen annettiin purkautua sähkövirtana takaisin toiseen osasysteemiin. Siinä purkautuessaan se voi samalla pyörittää jotakin laitetta, joka oli kytketty sen purkautumisreitille. Niin sen täytyi olla!

Samalla alkuaine vanadiini ymmärsi, miksi kummassakin osasysteemissä oli oma pumppunsa. Niiden tehtävänä oli varmistaa, että kaikki vanadiiniatomit pääsivät riittävän lähelle osasysteeminsä huopalaattaa voidakseen joko luovuttaa tai vastaanottaa laattaan imeytyviä tai siitä pulppuavia elektroneja. Siten sähkövarasto saataisiin ladatuksi mahdollisimman täyteen.

Terävänä tyyppinä alkuaine vanadiini oivalsi myös pian, että varaston suuruutta eli siihen ladattavan sähkövirran määrää voitiin säädellä hyvin yksinkertaisesti kasvattamalla kummassakin osasysteemissä olevien lisäsäiliöiden kokoa eli systeemissä olevien vanadiiniatomien määrää. Mitä isommat säiliöt, sitä suurempi sähkövirtamäärä systeemiin saatiin mahtumaan.

Sen sijaan paljon enemmän miettimistä vaati se, miksi nimenomaan vanadiini oli tässä sähkön varastointitekniikassa käytössä oleva aktiivinen toimija. Alkuaine vanadiini päätteli kuitenkin, että kyse täytyi olla siitä joustavuudesta, jolla vanadiiniatomit käyttelivät lukuisia vaihtokauppaelektronejaan reagoidessaan ympäristönsä muutoksiin tai muodostaessaan yhteenliittymiä ympäristön muiden atomien kanssa.

Systeemin toisessa osassa vanadiini esiintyi yksittäisinä atomeina, joilta puuttui kolme elektronia. Ne varastoivat sähköä latausvaiheessa kaappaamalla yhden elektronin ja tyytyivät sitten kahden elektronin vajaukseen.

Toisessa osasysteemissä eli alkuaine vanadiinin nykyisessä oleskelupaikassa vanadiiniatomit pelehtivät happiatomien kanssa muuttuen latausvaiheessa yhden vanadiiniatomin ja yhden happiatomin muodostamasta kokonaisuudesta yhden vanadiiniatomin ja kahden happiatomin ryppääksi. Samalla ne vapauttivat yhden elektronin, joka kiirehti toiseen osasysteemiin sen sähkömäärää kasvattamaan. Purkautumisvaiheessa tapahtumat etenivät osasysteemeissä päinvastaisessa järjestyksessä.

"'Alkuaine vanadiinin nykyisessä oleskelupaikassa vanadiiniatomit pelehtivät happiatomien kanssa muuttuen latausvaiheessa yhden vanadiiniatomin ja yhden happiatomin muodostamasta kokonaisuudesta yhden vanadiiniatomin ja kahden happiatomin ryppääksi."

Osa selitystä oli varmaan siinäkin, että tämän joustavuutensa ansiosta vanadiiniatomit saattoivat toimia aktiivisina avaintekijöinä kummassakin sähkövaraston osasysteemissä. Myös osasysteemien nestekoostumukset olivat tässä kokonaisuudessa lähellä toisiaan. Alkuaine vanadiinin järkeilyn mukaan sekin edesauttoi järjestelmän yksinkertaistamista ja järjestelyn edullisuutta.

Vaikka alkuaine vanadiini ei ollutkaan ihan varma viimeisimpien päättelyjensä oikeellisuudesta, se tunsi kuitenkin rauhoittuvansa ajatuksissaan. Se saattoi nyt myös ryhtyä miettimään tulevaisuuttaan tässä uudessa ympäristössään. Oliko täällä odotettavissa jotain entistä parempaa?

Ainakin tapahtumien määrässä viimeksi kuluneet ajat voittivat kirkkaasti vuosikymmenien lojumisen toimettomana terästehtaan kuonakasassa. Ne olivat myös huomattavasti dynaamisempia luon teeltaan kuin ajat terästen seosaineena. Tosin nytkin tapahtumat vai kuttivat toistuvan melko kaavamaisina sähkövaraston lataus- ja pur kujaksojen aikana.

Toisaalta taas jaksojen väliset ajat ja niiden pituuden arvaamaton vaihtelu toivat elämään jotain jännitystä. Ja ainahan oli mahdollista pujahtaa muiden vanadiiniatomien avustuksella kyläilemässä sähkö varaston toisessa osasysteemissä kuulostelemassa elämän sujumista siellä. Ja varmasti systeemistä löytyisi sellaisiakin paikkoja, joihin voisi vetäytyä haluamansa pituiseksi ajaksi lomailemaan ja pysyttelemään mahdollisimman kaukana koko tohinasta.

Mahdollista oli myös, että aikojen saatossa tässäkin systeemissä tapahtuisi kehitystä, jonka seurauksena alkuaine vanadiinin ja muiden vanadiiniatomien poikkeuksellisia sähköisiä ominaisuuksia opittaisiin hyödyntämään uusilla tavoilla ja entistä tehokkaammin. Näillä ajatuksilla alkuaine vanadiini päätti asettua aloilleen ainakin joksikin aikaa ja katsoa, mitä tulevaisuus nyt toisi tullessaan.

Mekin jätämme nyt alkuaine vanadiinin totuttelemaan uuteen ympäristöönsä. Sen myöhemmät vaiheet synnyttävät hyvin todennäköisesti uusia tarinoita, mutta niiden kertominen jääköön toisten kirjoittajien tehtäväksi. ▲

TUOMO TIAINEN

Alkuaine vanadiinin uudeksi kodikseen löytämä sähkövarasto tunnetaan virtausakun nimellä. Muitakin virtausakkutyyppejä on, mutta vanadiiniin pohjautuva tyyppi on toistaiseksi eniten tutkittu ja pisimmälle kehitetty.

Virtausakun etuina ovat mahdollisuus kasvattaa akun kapasiteettia elektrolyyttisäiliöiden kokoa kasvattamalla sekä pitkä sähkön varastointiaika ilman merkittäviä häviöitä. Mahdollista on myös ladata akku nopeasti vaihtamalla toiseen osasysteemiin valmiiksi ladattu elektrolyytti.

Rajoituksina puolestaan ovat vanadiiniakun matalahko kennojännite ja systeemin suuri koko pumppuineen ja säiliöineen. Koko rajoittaa virtausakun käyttöä ajoneuvojen energialähteenä. Laajempaa kaupallista käyttöä virtausakut saanevat sähköverkkojen stabilisointisovelluksissa.