GIDPROvis tekee molekyylien näkymättömän maailman näkyväksi

Aamiaisen tuoksu herättää ruokahalumme, ja leikatun nurmikon raikas tuoksu on monelle mieluisa. Jotkut hajut – kuten vaikkapa rikki – toimivat puolestaan selkeänä varoituksena siitä, ettei sen lähdettä kannata lähestyä. Oli kyseessä sitten tuoksu tai haju, ovat ne peräisin ympäristössä esiintyvistä haihtuvista kemikaaleista, jotka leijuvat joka hetki ympärillämme. Nämä yhdisteet ovat mikroskooppisen pieniä, minkä vuoksi ihmissilmä ei niitä havaitse.

Lokakuussa käynnistyneen GIDPROvis-hankkeen (Gas Ion Distillation and Sequential Ion Processing Technologies for Identification and Visualization of Chemicals in Airborne Vapors) tavoitteena on tuoda nämä molekyylit näkyviin ja tarjota ihmisille tietoa siitä, mistä heitä ympäröivä ilma tosiasiassa koostuu.

”Hankkeen tavoite on radikaali: teemme molekyylien näkymättömän maailman näkyväksi esimerkiksi lisättyyn todellisuuteen (augmented reality) perustuvien sovellusten kautta. Tällä tavalla ihmisten aisteja saadaan nostettua tasolle, jonne nenä tai silmät eivät yllä”, kertoo yhdysvaltalaisen New Mexico State Universityn professori Gary Eiceman, joka toimii Helsingin yliopistossa hankkeen tieteellisenä johtajana.

Hankkeessa kehitettävälle teknologialle löytyy lukuisia sovelluksia. Teknologia voisi auttaa muun muassa kemikaaliturvallisuuden parantamisessa, sillä sen avulla tehdas voisi seurata tarkemmin, mistä sen päästöt koostuvat. Tällöin tehdas kykenisi tarpeen tullen antamaan varoituksen, jos haitallisia kemikaaleja pääsisi karkaamaan tehtaalta. Toisaalta allergikko voisi uuden teknologian avulla saada tarkempaa ja reaaliaikaista tietoa ympäristön tilanteesta, ja kaupungit voisivat tutkia tarkemmin ilmanlaatuaan. GIDPROvis-hankkeessa kehitettävällä teknologialla tietoa ilmassa leijuvista kemikaaleista voitaisiin seurata yksityiskohtaisesti ja reaaliaikaisesti.

Ionit tislataan ja käsitellään

GIDPROvis-hankkeessa pyritään kehittämään neljä erillistä ja toisiinsa läheisesti linkittyvää teknologiaa. Molekyylien tunnistamiseksi on ensin kehitettävä menetelmä, jolla kemikaaliseokset voidaan eritellä. Tätä varten hankkeessa kehitetään tekniikkaa, jolla yksittäisistä kemikaaleista peräisin olevat kaasumaiset ionit saadaan eroteltua toisistaan (ikään kuin tislattua) kannettavan analysaattorin avulla.

”Ajatus on sama, kuin vaikkapa öljynjalostamossa: raakaöljy erotellaan kaasuiksi, bensiiniksi, butaaneiksi ja oksideiksi ja myöhemmin dieseliksi, kerosiiniksi tai tervaksi. Hankkeessamme pyritään tähän samaan, mutta me erottelemme ympäröivää ilmaa eri osiin molekyylitasolla. Prosessi olisi täysin mullistava, sillä vastaavaa ei ole molekyylien tasolla aiemmin osoitettu tai edes ehdotettu – tämä osuus hankkeesta on kaikista haastavin”, Eiceman kuvaa.

Kun ionit on eroteltu, täytyy laitteen seuraavaksi tunnistaa, mikä kemikaali on kyseessä.

”Viimeisen 40 vuoden ajan suhteellisen yksinkertaisten sensoriteknologioiden kehitys on perustunut pääasiassa tiettyjen kemikaalien havaitsemiseen, mutta ei tunnistamiseen. Kemiassa tunnistamisen kynnys on hyvin, hyvin korkea: kemikaalin tunnistaminen tarkoittaa sitä, että meidän täytyy todella tietää, että kyseessä on se kemikaali, mitä luulemme sen olevan”, Eiceman jatkaa.

Helsingin yliopiston tutkijat ovat hankkeessa tiiviisti mukana niin ikään teknisesti haasteellisen tunnistamisen kehittämiseksi.

”Tutkimusryhmään kuuluu useita tunnistamisen asiantuntijoita, joiden tehtäviin kuuluu muun muassa eräänlaisen kemikaalikirjaston rakentaminen, jonka avulla tunnistaminen onnistuu”, kertoo Helsingin yliopiston Kemiallisen aseen kieltosopimuksen instituuttia VERIFINiä johtava professori Paula Vanninen. Hän toimii GIDPROvis-hankkeen projektijohtajana.

Oikea määrä tietoa oikealle käyttäjälle

Teknisten ratkaisujen ohella on tärkeää myös pohtia, kuinka paljon ja missä muodossa laite antaa tietoa sen käyttäjälle. Esimerkiksi kemikaaliturvallisuuden asiantuntijalle laitteen on tarjottava hyvinkin yksityiskohtaista tietoa ilmassa leijuvista kemikaaleista, kun taas vaikkapa valtatien läheisyydessä asuvan kannalta on todennäköisesti tärkeämpää saada reaaliaikaista ja ymmärrettävää tietoa saastetilanteesta.

Kolmantena osa-alueena hankkeessa tutkitaankin laitteen tulevien käyttäjien reaktioita tietoon kemikaaleista.

”Tutkimme sitä, missä muodossa kerromme käyttäjälle, mikä kemikaali on kyseessä. Tämä tieto täytyy esittää aivan eri tavalla riippuen siitä, onko käyttäjä kemianalan asiantuntija tai keskivertokansalainen”, Vanninen kuvaa.

Erottelun, tunnistamisen ja esitettävän tiedon määrän päättämisen jälkeen on vielä kehitettävä tapa, jolla tieto visualisoidaan – esimerkiksi lisättyyn todellisuuteen perustuvan ohjelman tai sovelluksen kautta.

”Neljäntenä askeleena on kehittää ohjelma tai sovellus, joka pureksii ja visualisoi laitteen keräämän tiedon”, Eiceman kertoo.

Hankkeessa mukana olevat yritykset puolestaan pohtivat alusta alkaen teknologian kaupallistamismahdollisuuksia.

”Teknologiasta olisi hyötyä esimerkiksi teollisuudenalalla, joka vaatii erittäin puhdasta sisäilmaa. Sen avulla voitaisiin seurata, mistä tuotantolaitoksen sisäilma koostuu, ja säätää suodattimia ja ilmanvaihtoa sisäilman pitämiseksi puhtaana”, Eiceman sanoo.

”Käyttökohteiden määrässä vain mielikuvitus on rajana”, Vanninen lisää.

Ensimmäiset hankkeessa kehitettyyn tekniikkaan pohjautuvat kaupalliset sovellukset voisivat tulla markkinoille jo neljän vuoden kuluttua.

GIDPROvis tuo yhteen tutkijoita ja toimijoita ympäri Eurooppaa

Lokakuusta 2020 syyskuuhun 2023 ulottuva hanke tuo yhteen niin uransa alussa olevia kuin kokeneitakin tutkijoita eri puolilta Eurooppaa. Yhtenä tarkoituksena onkin luoda yhteyksiä nuorten eurooppalaistutkijoiden välille ja rakentaa uutta kemian alan innovointia ja osaamista Euroopassa.

Hankkeen osana pyritään innostamaan myös seuraavaa tutkijasukupolvea, sillä tutkijoiden joukossa on myös kaksi lukiolaista ja opettajaa.

”Lukiolaiset ja opettajat ovat hankkeessa mukana siinä missä muutkin tutkijat”, Vanninen kertoo.

Lukiolaisten osallistaminen pohjautuu Eicemannin myönteiseen ja pitkäaikaiseen kokemukseen vastaavan kaltaisesta yhteistyöstä Yhdysvalloissa.

”Lukiolaisethan ovat tulevaisuuden tieteentekijöitä”, Eicemann kuvaa.

Helsingin yliopiston ohella hankkeessa on mukana Hannoverin yliopiston sensoreiden ja mittausteknologian laitos ja Ateenan yliopiston analyyttisen kemian laitos. Yrityksistä hankkeessa ovat mukana saksalainen sensorivalmistaja Airsense, suomalainen kemiallisten uhkien havaitsemisteknologiaa kehittävä Karsa Oy, espanjalaisen IT-yhtiö Atoksen suurien datamassojen analysoimiseen erikoistunut yksikkö sekä kreikkalainen kemikaalien havainnointiin erikoistunut T4i.

Lue lisää Euroopan komission tarjoamasta tutkimusrahoituksesta .