Jukka Kakriainen: UUTISIA ALALTA Ydinfysiikan huippuinnovaatio, joka parantaa prosessiteollisuuden tuottavuutta ja vauhdittaa vihreää siirtymää

Suomalainen huippuinnovaatio valjastaa ydinfysiikan kaivos- ja metalliteollisuuden tuotannon parantamiseen ja vihreän siirtymän vauhdittamiseen. Neutroniaktivointiin perustuva teknologia mahdollistaa reaaliaikaisen ja linjastolta tapahtuvan suurten materiaalivirtojen koko volyymin alkuaineanalyysin. Etenkin metalli- ja kaivosteollisuuden arvioidaan saavan tästä huomattavia etuja. Yrityksen perustajan, ydinfyysikko Hannes Vainionpään mielestä hiukkaskiihdytinteknologiassa on paljon hyödyntämätöntä potentiaalia, joka voidaan valjastaa palvelemaan kaivos- ja metalliteollisuuden tarpeita. Tällä hetkellä toimitamme NeutronGaten alkuaineanalyysimenetelmää Outokummun Tornion ferrokromisulattoon.

Metallien kasvava kysyntä ja ympäristövaatimukset

Metallien kysyntä on tällä hetkellä suurempaa kuin tarjonta. Korkeaa kysyntää siivittää erityisesti energiasiirtymä. Muun muassa sähköverkkojen tarvitseman kuparin tuotannon pitäisi tuplaantua seuraavien 20 vuoden aikana. (Arvopaperi, kesäkuu 2023) Samalla kun tuotannon määrän pitäisi kasvaa voimakkaasti, toimialalla vallitsevat yhä tiukemmat vaatimukset kaivosten ja metalliteollisuuden ympäristöystävällisyydelle. Pelkästään kaivosteollisuus kuluttaa 3-5 prosenttia koko maailman sähköntuotannosta. (Arvopaperi, kesäkuu 2023) Kaivos- ja metalliteollisuuden toimijat ovat etenkin Suomessa osoittaneet kasvavassa määrin määrätietoista pyrkimystä teknologiateollisuuden tavoitteekseen asettaman hiilineutraaliuden saavuttamiseksi vuonna 2035. Tässä olennaisena tekijänä on korkea innovaatioiden hyödyntämisaste.

(T)PGNAA-menetelmällä. TPGNAA on sovellettavissa koskettamattomaan on line -mittaukseen.

Taulukko 2. Pitkän mittauksen havaitsemisrajat DGNAA-menetelmällä. DGNAA on sovellettavissa näytemittaukseen joko laboratoriossa tai on line -näytteenottimella.

100 % materiaalivirrasta linjastolta koskettamatta

Eräs tällainen korkea innovaatio on NeutronGate Oy:n kehittämä OreGate. OreGate mittaa laitteen läpi kulkevan materiaalivirran alkuainepitoisuudet liukuhihnalta tai putkesta reaaliajassa. OreGaten alkuaineanalyysin ainutlaatuisuus mittausmetodina voidaan tiivistää sanoihin “100% materiaalivirrasta linjastolta reaaliajassa”, toteaa Vainionpää.

Koska neutronipohjainen analyysi tapahtuu ilman kosketusta, OreGate voidaan integroida linjastolla kulkevan materiaalin läpikulkuportiksi. Linjastolta tapahtuva mittaus mahdollistaa koko materiaalivolyymin analysoinnin, jolloin mittaus on edustava. Tarkinkaan mittaus ei ole hyvä, jos se ei ole edustava. OreGaten analyysissa saadaan sekä tarkkaa että edustavaa mittausdataa.

Viimeinen merkittävä ominaisuus on mittauksen reaaliaikaisuus. Poikkeamat materiaalivirrassa voidaan parhaimmillaan havaita sekunneissa tai minuuteissa. OreGate mahdollistaa siis sen, että toimijoilla on tarkka ja edustava data materiaalivirran alkuainepitoisuuksista reaaliajassa.

Neutronipohjainen alkuaineanalyysi 

OreGaten tapauksessa hihnastolla virtaavaa materiaalia pommitetaan neutroneilla. Neutronien aiheuttama ytimien viritystila materiaalivirrassa purkautuu gammasäteilynä. Gammasäteily mitataan gammaspektrometrillä, joka tunnistaa alkuaineen ja määrittää sen pitoisuuden. Koska gammasäteily läpäisee tutkittavan materiaalin, niin mittaus voidaan suorittaa jopa kymmenien senttien syvyyteen (jopa 50 cm) .

Ohessa mitattavia minimipitoisuuksia esittävät taulukot 1 ja 2, jotka antavat käsityksen mittausherkkyydestä.

Hyödyt metalliteollisuudelle

Metalliteollisuudelle neutronipohjainen analyysi tuo hyötyjä vähintäänkin kolmella tasolla:

1.  Materiaalivirran optimointi: Reaaliaikainen data sulattoon menevän materiaalivirran alkuainekoostumuksesta mahdollistaa sen, että koostumuksessa oleviin muutoksiin voidaan reagoida vielä prosessin aikana. Jos esimerkiksi pelkistimen määrä näyttää olevan liian alhainen, voidaan koksia lisäämällä ajoissa optimoida materiaalivirran koostumusta. Optimoitu materiaalivirran koostumus tarkoittaa sitä, että raaka-aineen pitoisuuksien heilahtelu ei ole kovin suuri ongelma ja prosessi saadaan stabiilimmaksi, jolloin säästetään energiaa ja minimoidaan prosessihäiriöt.

2. Korkeampi lopputuotteen laatu ja pienempi hävikki: Optimaalinen raaka-ainekoostumus näkyy tasaisempana ja korkeampana laatuna, ja sen myötä pienempänä hävikkinä.

3. Pienemmät päästöt: Vainionpään mukaan tieto raaka-aineen koostumuksesta antaa suuremman vapauden valita vaihtoehtoisia vihreitä raaka-aineita. Esimerkiksi kivihiilen voi korvata biokoksilla. Näin päästään tilanteeseen, jossa lopputuotteen laatua ja määrää saadaan kasvatetuksi samanaikaisesti kuin saavutetaan säästöjä materiaalin, energian ja päästöjen osalta.

TIIVISTELMÄ: OreGate Neutronipohjainen mittaus:

• NeutronGate Oy on ydinfyysikko Hannes Vainionpään perustama yritys

• OreGate on ydinfysiikkaan perustuva huippuinnovaatio

• Ilman kosketusta tapahtuva alkuaineanalyysi, joka voidaan integroida osaksi linjastoa

• Analysoi 100% materiaalivirrasta

• Reaaliaikainen mittaus

• OreGate on asiakkaan tarpeiden mukaisesti räätälöity järjestelmä

• Hyödyt: parempi prosessin hallinta, prosessin optimointi, korkeampi lopputuotteen laatu, pienentynyt hävikki, alhaisemmat päästöt

• Soveltuvuus: toimijoille, joille materiaalivirtojen alkuainekoostumus on olennainen tieto (kaivos-, metalli- sekä energiateollisuus, kiertotalous)

Hyödyt kaivosteollisuudelle

Kaivosteollisuuden toimijoiden kanssa käytyjen keskustelujen valossa Vainionpää arvioi, että teknologia voisi nostaa tuottavuutta ja vähentää päästöjä tuotantoketjun eri vaiheissa.

• Teknologiassa on potentiaali vähentää sivukiven louhimista tekemällä mittaus porasoijasta, kairausnäytteestä tai tunnelin päästä ja täten ohjata louhimista tehokkaammin. Olemme keskustelleet mahdollisuudesta suorittaa analyysi heti louhinnan jälkeen joko kauhassa tai siirron aikana. Tällä voitaisiin vähentää turhaa sivukiven kuljettamista ja murskaamista. Esirikastuksessa ja rikastuksessa tuottavuutta voidaan lisätä selvittämällä alkuainepitoisuudet prosessin eri vaiheissa. 

• Pitoisuuksien mittaaminen sivuvirroista niin, että vaarallisten jätteiden loppusijoitus voidaan suunnitella tehokkaammin ja uudelleen käytettävä materiaali voidaan kierrättää tai myydä esimerkiksi rakennusteollisuudelle.

OreGate sopii erinomaisesti myös näyteanalyysiin joko linjastolle tai laboratorioon. Neutronipohiainen alkuaineanalyysi tuo tehokkuutta, sillä laitteen operointi on tehty helpoksi eikä se vaadi korkeakoulutettua käyttäjää. Näyteanalyysi antaa tulokset minuuttien ja tuntien aikaikkunassa. (vrt. laboratorion vasteaika noin 24h)

Mineraalien ja metallien kierrätys ja uudelleenkäyttö

Korkea metallien kysyntä näkyy myös kasvavana tarpeena metallien ja mineraalien kierrätykselle. (The Economist, heinäkuu 2023) Olemme käyneet keskusteluja elektroniikkaja metallijätteen kierrätystoimijoiden kanssa ja identifioineet seuraavia hyötyjä:

• Resurssitehokkuus: Kierrätyksen ja uudelleenkäytön prosesseissa on tärkeää ymmärtää täsmällisesti, mitä metalleja ja mineraaleja on käytettävissä. Jos tämä tieto puuttuu tai on epätarkka, saatetaan kierrätettäviä materiaaleja hukata tai niitä ei käytetä tehokkaimmalla mahdollisella tavalla.

• Laadunvarmistus: Metallien ja mineraalien laatu on erittäin tärkeää lopputuotteen kannalta. Maametalleja käytetään laajasti esimerkiksi elektroniikassa ja muissa korkean teknologian sovelluksissa, joissa alkuainekoostumuksen täytyy olla erittäin tarkka.

• Ympäristö: Alkuainekoostumuksen tunteminen auttaa myös tunnistamaan mahdollisia haitallisia tai ympäristölle vaarallisia aineita, jotka voivat olla osa kierrätettävää materiaalia.

NeutronGate Oy hakee kumppaneita teknologiansa kaupallistamiseen ja jatkojalostukseen.

Tällä hetkellä yritys hakee kumppaneita teknologian kaupallistamiseen ja jatkojalostukseen. Yrityksemme vahvuus on hiukkaskiihdytinteknologiaan perustuva huippuinnovaatio yhdistettynä omaan laite- ja ohjelmistokehitykseen. Meistä ainutlaatuisen tekee se, että meillä on omasta takaa huippuunsa kehitetty kiihdytin-, ilmaisin- ja ohjelmistoteknologia. Näin meillä on kyky tarjota täysin räätälöityjä järjestelmiä, jotka ovat juuri asiakkaan tarpeisiin soveltuvia.

Nyt meillä on tavoitteena löytää yhteistyökumppanit, joilla on alakohtaista korkeatasoista osaamista voidaksemme rakentaa yhteistyössä sovelluksia tuottavuuden merkittäväksi parantamiseksi sekä hiilineutraaliuden saavuttamiseksi. Olemme vasta raapaisemassa pintaa teknologian sovellusmahdollisuuksien ja sen tuomien hyötyjen suhteen, toteaa Vainionpää. ▲

TEKSTI: JUKKA KAKRIAINEN

KUVAT: NEUTRONGATE OY