Rubriigiarhiiv: Keskkonnatehnoloogia

Magnetotaktilised bakterid

Joonis 1. Magnetospirillum magneticum AMB-1. Pildil on näha magnetosoomide kett. Allikas: Komeili 2012

1975-ndal aastal avastas Richard P. Blakemore fülogeneetilise bakterite rühma, mille nimetas magnetotaktilisteks bakteriteks (MB). Tegelikkuses oli see bakterite rühm juba 12 aastat varem avastatud Salvatore Bellini poolt, kes kahjuks avaldas oma leiu vaid itaalia keeles Pavia Ülikooli Instituto di Microbiologia kaudu ja seetõttu ei teadnud teadusmaailm sellest midagi. Mõlemad mehed nägid nende bakterite puhul imelikku käitumismaneeri – need suunasid end Maa magnetvälja järgi. Miks ja kuidas MD-d seda suudavad vaatlemegi lähemalt.

Joonis 2. Oksü/anoksü üleminekutsoon (OATZ). MD-d kasutavad Maa magnetvälja, et kergesti OATZ leida. Allikas: Komeili 2012

Juba varajased katsed nii Blackmore’i kui ka teiste teadlaste poolt tegid kindlaks, et MB-d reageerivad magnetväljadele erilise organelli – magnetosoomi abil. Magnetosoomid koosnevad magneetilisest mineraalist (magnetiit Fe3O4või greigiit Fe3S4), mida ümbritseb kahekihiline lipiidmembraan (vaata ka jooniselt 1). Üksikud magnetosoomid paiknevad rakus pikkade kettidena, mis võimaldavad rakul end magnetväljaga joondada. Üksikute magnetosoomide magnetväli oleks selleks liiga nõrk.

MB-d on väga tundlikud hapniku suhtes. Arvatakse, et võime maa magnetvälja abil orienteeruda võimaldab neil lihtsamini elupaiku leida. Et leida optimaalne hapniku ja toitainete kontsentratsioon ujuvad enamik baktereid suhteliselt suvaliselt ringi, kuni leiavad parima paiga. MB-de puhul on liikumine viidud ühele dimensioonile. Liikudes mööda magnetvälja on neil kergem leida oksü/anoksü üleminekutsoon, kus on neile eluks vajalikud tingimused. Magnetosoomide kasulikkuse kohta bakteritele on veel mitu teooriat, kuna ükski neist ei ole seletanud kõiki aspekte MB-de käitumises, ent eelpool kirjeldatu on seni enim toetust leidnud.

Kuigi MB-sid on uuritud juba üle 40 aasta, ei ole  lahendatud kõiki nende saladusi. Ometi on nad andnud ja annavad meile ka edaspidi väga olulist informatsiooi ning võivad pakkuda tulevikus erinevaid biotehnoloogilisi kasutusvõimalusi. MB-d mängivad tõenäoliselt olulist rolli veekeskondades toimuvas raua tsüklis. Arvatakse, et kuni 10% lahustunud rauast omandatakse MB-de poolt, mis sadestub lõpuks magnetiidina. Lisaks annavad MB-d kerge viisi uurimaks biomineralisatsiooni kuna on kõige iidsemad ja lihtsamad organismid, kes seda võimet omavad.

Lisaks on tuntud MB-de vastu huvi ka biomeditsiini ja –tehnoloogia vallas, kuna nende poolt toodetud magneetilised osakesed on ühtse suuruse ja kujuga ning puhtad. Uuringud, kus MB-sid kasutada võiks varieeruvad kasvajate ravist ja MRT-st (magnetresonantstomograafia) kuni bioremediatsioonini välja. Julgemad on öelnud ka, et tulevikus võime me nende bakterite abil toota elektrienergiat. Kui kaasata mõttekäiku ka mikroobsed kütuseelemendid tekkib tunne, et tulevikus võivad mikroobid saada energia tootmisel olulisemaks kui seni arvatud on.

Neil, kes on MB-dest rohkem huvitatud, on võimalik soojemate ilmade saabudes võtta ette väike katse:

  • Otsige oma kodu lähedalt mõni tiik ja võtke sealt läbipaistva anumaga veidi muda ja vett. Oodake rahulikult kuni muda on jälle põhja settinud.
  • Võtke pulk ja kinnitake selle otsa magnet. Magnet tuleb pulgaga kinnitada nii, et magnet oleks natukene kõrgemale sellest piirist, kus puutuvad kokku muda ja vesi.
  • Nüüd peaksite te nägema, kuidas mikroobid hakkavad magneti poole ujuma. See on juba iseenesest huvitav vaatepilt.
  • Tekkinud bakterite kogumi on võimalik magnetilt eraldada näiteks Pasteuri pipeti abil. Kui teil on ligipääs mikroskoobile saate nüüd MB-sid selle abil jälgida. Samal ajal on võimalik magnetiga slaidi kõrval mängida ja nende suunda muuta.

Kui teil ei ole endal mikroskoopi ja soovite seda katset siiski lõpuni teha, soovitan ühendust võtta mõne ülikooliga, kus tegeletakse loodusteadustega. Kui kirjutate neile ja seletate ära, mida te tahate teha ja miks, on nad tihtilugu nõus aitama.

Allikad:

Hunter P., 2010. Can bacteria save the planet? EMBO reports 11, 266 – 269

Komeili A., 2012. Molecular mechanisms of compartmentalization and biomineralization in magnetotactic bacteria.  FEMS Microbiol Rev 36 232–25

Magnetotactic bacteria (Wikipedia)

Oidermaa J.-J., 2011. ‘Magnetbaktereid’ magnetite poolitamine ei heiduta

TWiM 25: Magnetotactic bacteria and totally drug resistant TB

Miks laine-energeetika veel maailma ei päästa? (koostöös Talveakadeemiaga)

Artikli autor, Georgi Karhu, lõpetas rakendusliku Tallinna Tehnikakõrgkooli tehnomaterjalide & turunduse eriala ning jätkab oma õpinguid Oslo Ülikoolis Innovatsiooni ja Ettevõtluse magistratuuris. Ühtlasi võttis ta osa 2012. aasta Talveakadeemia teadusartiklite artiklite konkurssist.

„Meri võtab ja meri annab.“ Meri ja tema lainetus on ülivõrdes niivõrd võimas, et läbi aegade on selllele omistatud isegi Jumala vorm: antiik-kreeklastel Poseidon; roomalstel Neptun, muistsetel viikingitel Ægir jne. Veel mõni aeg tagasi, 2011 aasta märtsis, tuletas tsunaami moodsale maailmale meelde oma laientuse hävitavat jõudu, tekitades Jaapanile ja rahvusvahelisele kogukonnale miljarditesse ulatuvaid kahjusi. Pole kahtlust, et lainetus peidab endas märkimisväärset energiakogust. Miks siis pole inimkond suutnud lainetusest märkimisväärses koguses elektrienergiat toota nagu näiteks hüdroelektrijaamad jõgedel, tuulegeneraatorid avamerel või siis soojuselektrijaamad vulkaanilistel aladel?

Laine-energeetika – maailmapäästja või puukallistaja naiivne unistus? Kui tänase päevani ei tea lihtsurelikud laine-energeetikaalast suurt midagi, siis ilmselgelt eksisteerib kusagil pidur, mis ei lase niivõrd katsutaval hüvel ühiskonda imbuda. Tuuma- ja vesinikenergia kujutab endas sõna otseses mõttes „kvantfüüsikat,“ mis nii mõnelegi inimesele oma keerukusastmega juhtme kokku keerab. Sellele vaatamata võime kõik, nimetissõrm püsti, targutada, et eelnimetatud energiaallikad on laialdaselt levinud, kuid piiramatu ja tasuta laineenergia definitsiooni peame siiani entsüklopeediast luubiga otsima.

Energeetikatööstus mõjutab mastaapselt nii majandus-, sotsiaal-, kui ka keskkonnaküsimusi. Globaalse soojenemise fenomen (liustike sulamine, kõrbete laienemine), suurimad keskkonnakatastroofid (2010 jun. Golfi Lahe naftareostus, 1986 apr. Tšernoboli tuumakatastroof) ja poliitilised nafta/gaasisõjad (2003 märts USA invasioon Iraaki, 2009 jaanuari Venemaa-Ukraina gaasidispuut) on ajendatud nõudlusest energia järele. Nafta needus on põhjastanud paljude kolmandate riikide (nt. Nigeeria, Alžeeria, Liibüa, Süüria, Venezuela) ühiskonna arengu pidurdumist. Pole kahtlustki, et aktuaalsed küsimused energeetikas  jäävad igavaseks maailma poliitilist nägu kujundama. Kellel on energia, sellel on ka võim.

Maailma majandusarengut (sh. energiamajandust) veavad investeeringud. Paraku pole arengu veomootoriks heausklik sinisilmne ideoloogia rohelisest ühiskonnast, kus kõik maailmarahvad hoiavad kätest kinni ja lauavad „Kumbaya My Lord.“ Täringuveeretajateks on ennekõige investeerivad ärimehed ja neid suunav kohalik valitsus. Ilma erakapitali eraldamiseta jäävad ka kõige rohelisemad ja rabavamad äriideed teostamata.

Miks ärimehed ei soovi investeerida laineenergeetikasse? Äris kehtib väga lihtne fundamentaalne reegel: Ettevõtmisest saadav tulu peab ületama sinna algselt tehtud investeeringu. Ilma kasumita kaotab projekt atraktiivsuse ja jätkusuutlikuse ning varem või hiljem võime sellest lugeda vaid ajaloo lehekülgedelt. Heategevus on küll väga tore, kuid kahjuks inimene õhust ja armastusest siiki ära ei ela (see on muinasjutt). Ka ärimehe kere vajab kinnitust, hing kostitust, Ferrari liising ja majalaen maksmist ning naise sõrmed kulla ja briljandiga katmist. Lihtne.

Hästi läbimõeldud äriplaan toodab tulu kõigile. Seevastu puudulik planeerimine sünnitab ainult ebameeldivusi ja skandaale. Näitena võib tuua Eesti ühe läbiaegade uhkeima ja kalleima ehitusobjekti – KUMU kunstimuuseumi, kus suure hurraaga kinnitati lühinägelikult heaks projekti kavand ning alles peale mõningt opereerimisaega avastati, et ups… pole raha kolossi ülalpidamiseks.

Hajutatud kasumlik laineenergia turg. On siililegi selge, et elektrit on absoluutselt kõigil vaja, nii et nõudlusega ei tohiks probleeme tekkida. Turumajanduses kehtib lihtne reegel: Kus on nõudlus, seal on ka pakkumine. Vaatleme nüüd aasta keskmist laineenergiaressursside paiknevust maailma kaardil (vt joonist 1).

Lainete võimsus
Joonis 1. Globaalne aasta keskmine hinnanguline laine võimsus, kW/m (The Energy Blog, 06.10.2005)

Aasta lõikes on suurimad laineenergiavarud rannikupiirkondades, näiteks Briti saarte läänerannik, Islandi, Lõuna- Ameerika, Aafrika, Austraalia ja Uus- Meremaa lõunarannik ja Antarktika põhjarannik. Energia hinnanguline võimsus ulatub nimetatud piirkondades üle 60-ne kW/m kohta. Siseveekogud (järved, mered k.a lahed) on aasta lõikes laineenergiavaesed.

Maailma laineenergia aastane tootlikkus on seega globaalselt hajutatud. Lisaks peab veel arvestama asjaolu, et energia tootlikkus varieerub hooaegade lõikes tublisti ning jäärikkad piirkonnad põhjustavad vees hulpivatele konverteritele rida probleeme, alates pindkatte kahjustamisest kuni staatilise kinnikülmumiseni.

Laineenergia muunduri tehnoloogilised väljakutsed. Energia püüdmiseks merelainetest on vaja lained kinni püüda konstruktsiooniga, mis reageerib laine poolt avaldavale jõule sobivaimal kujul. Põhimõtteliselt on iga generaator valmistatud nö. rätsepatööna spetsiaalselt vastavalt tema töökeskkonnale. Näiteks Lõuna-Ameerika lõunaranniku avamerre disainitud poi-tüüpi generaator ei sobi töötama Uus-Meremaa lõunaranniku lainetes, sest lainete karakteristikud ja vetevälja aktiivsete kasutajate nõuded on erinevad. Ühed seadmed sobivad paigaldamaks keset merd, teised aga otse rannikule.

Iga seadme täpne füüsiline suurus ja kuju on juhitud vastavalt tema tööiseloomust, lihtsalt öeldes peab seadme töömaht olema laiuse suhtes mitukümmend kuupmeetrit meetri kohta. Sellest väiksema töömahuga seadmetel on piirangud tüüpilise lainetsükli koguenergia püüdmisel: vaatamata sellele, et agregaat võib püüda väiksematest lainetest enamuse energiast, tekivad tagasilöögid kokkupuutel suuremate lainetega, vähendades sellega üleüldist efektiivsust. Konstruktsioonide suuremõõtmelisus annab tunda eelkõige tootmise ja logistika planeerimisel ning korrosiivne merevesi seab kõrgendatud nõuded kasutatavale masinaehituslikele- ja elektriseadmetele ning konstruktsiooni pindamissüsteemile. Kuna muunduri töökeskkonnaks on meri, siis ülikõrgete hoolduskulude vältimiseks peab kasutama võimalikult hooldusvabu ja seega kalleid komponente.

Kogu elektriväljund on üldiselt sujuvam mitme laineenergia mooduli liitmisel kui et üksiku mooduli kasutamisel. Mitmesaja ujuva seadeldise rakendamisel muutub summeeritud väljundvõimsus sujuvamaks. Merealuse elektrikaabli vajalikkus toob kaasa uued väljakutsed seoses seadme paigaldusega ja elektrivoolu juhtimisega maapealsesse vooluvõrkku (vt joonist 2) (Boyle, 2004).

Joonis 2. Järjestikkuse laineenergia seadeldiste vooluvõrku ühendamine (Boyle, 2004)

Laineenergeetika suurim takistus on ülemaailma kitsatesse regioonidesse fokusseeritud energiaressurss, mille füüsilist levikut piiravad lisaks mitmed majanduslikud, poliitilised ja sotsiaalsed ohutegurid. Genereeritav energia hulk on väga tugevas sõltuvuses ümbritsevast merekliimast, mistõttu leiab perspektiivikat seadme rakendust vaid tormistel avamere ning kaldalähedastel aladel. Hooajati vahelduv merekliima seab tõsise küsimärgi alla laineenergia generaatori tasuvuse ja usaldusväärsuse. Laine ressursside hajutatud paiknemine teeb tegutsemisvaldkonna atraktiivseks vaid selle vahetus läheduses asuvate tootjate silmis.

Laineenergia muundur on oma olemuselt üks keskkonnasõbralikumaid elektritootmise võimalusi, mõjutades minimaalselt nii loodus-, majandusliku kui ka sotsiaalkeskkonda. Teadusarendust soosib kindlasti praeguse sotsiaalse ühiskonna kui ka poliitilise keskkonna suhteliselt roheline meelestatus. Samas kahtlen, kas leidub piisavalt erainvestoreid. Kui poliitilisel maastikul on võimalik rahastamine läbi erinevate programmide (kohaliku omavalitsuse toetus, struktuurfondid), siis eraettevõtjatest investorid jäävad väga suure riski tõttu tagasihoidlikuks. Muunduri väike eluiga, kõrge realiseerimis-, opereerimis ja utilisreemiskulud seljatavad projekti äratasuvuse.  Riski suurendavad võimalikud saatuslikud konfliktid tegevuslubade hankimisel kohalikelt omavalitsustelt ja territoriaalvee aktiivsetelt kasutajatelt.

Globaalsele soojenemisele, naftasõdadele ja terroriohule vaatamata suureneb lähitulevikus nõudlus odavate ja kõrge kütteväärtusega fossiilsete kütuste järele. Trendi toetavad hiljutised Euroopa gaasitarne projektid Venemaaga (Nord- ja South Stream), nafta ammutamiskoguste suurendamine Lähis-Idas ja uute naftamaardlate avastamine Lõuna-Hiina meres. Roheliste energiaallikate osas investeeritakse pigem prügi-, tuule-, vesiniku-, tuuma ja päikese- kui et laineenergia arendamisse.

Leian, et hetke laineenergiatehnoloogiat ja maailma energiapoliitika trende arvestades jääb maailma toitmine ookeani lainete baasil pelgalt unistuseks. Negatiivsele uuringutulemusele vaatamata olen veendunud, et laineenergia tehnoloogia täiustamine ja arendamine vajab tähelepanu ja finantseerimist. Antud hetkel pole laineenergeetika rakendamisega võimalik küll rikastuda, olen aga kindel, et tulevikus on maailmameri üheks domineerivamaks ja atraktiivseimaks energiaallikaks. Propageerigem jätkusuutlikku energiamajandust aga samas hoidkem oma kaks jalga maa peal!

Loe lisaks:

  • Boyle, G. 2004. Renewable energy power for a sustainable future. Oxford, UK: The Open University,  312 – 336.
  • Cruz, J. 2008. Green energy and technology. Ocean wave energy current status and future perspectives. Berlin, GER: Springer, 93 – 414.
  • Scottish Enterprise. 2005. Marine Renewable (Wave and Tidal) Opportunity Review. Scottish Enterprise: 8 – 14.
  • The Energy Blog: About wave power. http://thefraserdomain.typepad.com/energy/2005/10/about_wave_powe_1.html (13.11.2011)

Uued tuuled laevanduses

Loo autor, Martin Ligi, on TÜ doktorant keskkonnatehnoloogia erialal, keskkonnaseire suunal ning ühtlasi insener Tartu Observatooriumi Atmosfäärifüüsika osakonna Taimkatte seire töörühmas. Hetkel resideerub ta välisspetsialistina Hollandis. 

Laevanduse ajalugu võib alustada hetkest, mil inimesed hakkasid suuremate puujuppide ujuvust kasutades veekogusid ületama. Päris kaua aega kasutati edasi liikumist vaid taastuvaid energiaallikaid, milleks olid tuul, vool ja kondimootor, kuid aastal 1803 muutus kõik, kui Robert Fulton lisas laevale aurumootori ning pool sajandit hiljem valmis ka ainult auru jõul liikuv laev. Edaspidi on kasutusele võetud erinevaid taastumatuid energiaallikaid, et rajada maailmamerele hiiglaslik laevastik, mis just keskkonnale erilist lahkust üles ei näita. Õnneks on kümneid aastaid muudest tööstustest hiljem hakatud ka laevanduses loodussõbralikkusele rohkem tähelepanu pöörama.

Mõned aastad tagasi hakkas Tallink ostma uusi kiiremaid ja ökonoomsemaid parvlaevu, mis iseenesest on tervitatav nähtus, kuid kuivõrd rohelised need tegelikult on, ei oska öelda. Kindlasti ei tasu siit loota mingeid radikaalseid uuendusi. Parimal juhul on ehitamisel lähtutud roheliste laevade projektis leitust, mille kohta saate täpsemalt lugeda aadressil internetist. 

Antud tekstis keskendun siiski rohkem lennukatele ideedele, mis ehk kunagi ka massilist kasutust leiavad. Kuigi mitmedki tehnoloogiad on juba läbinud esimesi edukaid katsetusi merel, siis seni julgeima disaini „The Orcelle“ (joonis 1) on loonud Skandinaavia laevandusettevõte Wallenius Wilhelmsen, kes lähtuvalt enda erialast, ehitasid autotransportööri, mis vastab tänapäeva kiiruslikele ja mugavuslikele standarditele ja kombineerib teadaolevaid tehnoloogiaid sealjuures ainult taastuvaid energiaallikaid kasutades.

Joonis 1. E/S Orcelle

Tuul ja päike. Kui tuuleenergia kasutamine pole midagi uut, siis uutes lahendustes on rohkem tähelepanu pööratud purjete multifunktsionaalsusele. Laeval, mille kaubaruum on umbes 14 jalgpalliväljaku suurune, on kolm hiiglaslikku purje. Kõik on valmistatud hästi kergetest ja vastupidavatest materjalidest ning lisaks sellele on kaetud ka päikesepaneelidega. Valdavalt ongi uute purjede juures lisatud, et need peaksid olema võimelised kasutama ka päikeseenergiat. See teeb nende valmistamise kindlasti kallimaks, kuid efektiivsus kasvaks oluliselt. Igal pool maailmas on väiksemate aluste peale pandud katsetusteks päikesepatareisid, kuid alati on tegemist elektri tootmist võimaldava üksusega. Kuskilt pole veel kuulda olnud majadelt juba väga tuttavate päikesepaneelidest, mille eesmärk on toota soojust mitte elektrit, väga põhjas ja väga lõunas töötavad suured laevad võiksid selliste lahenduste uurimise peale mõelda. Ametlikult sõlmisid 2008. aastal alternatiivsete lahenduste tootja SolarSailer ja Hiina suurim laevakompanii COSCO group koostöölepingu, et konteinerlaevadele luua päikesepatareidega purjed, kuid arengu suhtes tsiteeriksin Hiina firma 2010. aasta jätkusuutlikkuse raportit: „COSCO Group is actively researching on the development of substitute energy in the future, and is researching on the possibility of adopting nuclear power, wind power and solar energy as ship power.“

Laineenergia. Tegemist on uuemat tüüpi energiaga, mis toodab energiat üksusest, mis üldiselt on laevadele ainult raskuseks, mida on vaja ületada, olnud. Orcelle’l on 12 „uime“ mis on võimelised laineenergia muutma mehaaniliseks energiaks, mis oma olemuselt peaks toimima sarnaselt delfiinide edasi liikumisega, elektriks või vesinikuks. Uimed võivad kasutada ka laeval olevaid teisi energiaallikaid, et laeva edasi liigutada. Selliste uimede erinevus purjedest seisneb eelkõige selles, et need on võimelised liigutama laeva soovitud suunas hoolimata lainete liikumise suunast. Teiseks on lained olemas ka tuulevaikse ilmaga. Edukaimad katsetused (seisuga jaanuar 2009) pärinevad 2008. aastast, kui 69 aastane jaapanlane Ken-ichi Horie sõitis laineenergia abil edasi liikuva ja vajaliku elektrit päikesepatareidega tootva paadiga (joonis 2) Havailt Jaapanisse. Selle laeva kiirus oli kuni kümme korda väiksem kui üldiselt suurtel tankeritel, kuid läbis seni pikima vahemaa laineenergial põhineva alusega.

Joonis 2. Laineenergiat rakendava purjeka „mootor“

Kütuseelement. Hoolimata kõigest eelnevast peaks poole Orcelle kütusemahust katma kütuseelement. Sellises süsteemis segatakse elektri saamiseks kokku puhas hapnik ja vesinik ning lisasaadusteks on vesi, aur ja soojus. Saadud energia peaks tööle panema uimed, varustama ülejäänud laeva elektriga ja lisaks panema tööle ka kaks laeva taha võimast veejuga tekitavat süsteemi. Viimasega kaotatakse vajadus seniste sõukruvide järele. Süsteemi suur pluss on kohapealne vesiniku tootmine, milleks vajaliku energia saadakse uimede abil lainetest.

Laeva disain. Olulist energiakokkuhoidu annab ka säästlik planeerimine. Mida voolujoonelisem on auto seda stabiilsemalt püsib see teel ja kulutab vähem kütust. Samamoodi on ka laevadega. Konkreetne laev on pentamaraan, kus siis üks peenike ja lainetest hästi läbi murdev kogu laeva pikkune kest asub laeva keskel ja stabiilsust lisavad neli äärtel paiknevat tuge. Selline disain tagab piisava stabiilsuse tormisemal merel ning annab parema läbivuse, sest hõõrdepind veega väheneb. Lisaks kaob sellise kuju puhul ära vajadus ballastivee järele, mis oluliselt vähendab liikide sunnitud rännet ja ohtlike võõrliikide sattumist teistesse vetesse, kuid selle probleemi kirjeldamine vajaks juba uut postitust.

Suur võit on saavutatud ka uudseid materjale kasutades. Nii on kergeid materjale, näiteks alumiinium ja termoplastik, kasutav alus võimeline vedama 50% rohkem autosid kui sama suur praegu eksisteeriv laev. Suuresti on see tingitud ka ballastivee vajaduse kaotamisest.

Faktor 10: veevaba pissuaar

Vaja on väheke nutti, et saada samu tulemusi 10 x väiksema energiakuluga. 

Keskkonnatehnoloogidele (eriti ökotehnoloogiahuvilistele) pole mingi üllatus, et järjest enam luuakse ja võetakse kasutusele süsteeme ja masinavärke, mis kasutavad vähem energiat ja muid ressursse (näiteks vett), kuid toodavad see-eest rohkem hüvesid kui eelnevad analoogid. Sellise mõtteviisi võtavad hästi kokku faktor 4 ja faktor 10 konseptsioonid. Euroopa Liit on oma arengukavades seadnud sihiks saavutada 10 x parem energiakasutus aastaks 2050. Tehnoloogilisi saavutusi, mis EL oma eesmärgini aitaksid, on leida mitmeid. Et konseptsiooni mõte selgemalt avalduks, kirjeldan lühidalt ühte tehnoloogilist lahendust. Veevaba pissuaari.

 “The dirtiest thing you’ll ever touch in a public restroom is a urinal handle.” Chuck Gerba, mikrobioloog

Selle asemel, et iga “vee”laskmise järel vett lasta, on teadlased nuputanudvälja (ja mitte sugugi väga hiljuti vaid juba jupp aega tagasi) süsteemi, kus uriin voolab siledapinnaliselt tehismaterjalist torustikust mikroobidele võimalust jätmata kanalisatsiooni ning haisulukuna toimib eriline vedelik, mille tihedus on uriini omast väiksem (vt. joonist!). Süsteem ei vaja niisiis ebahügieenilist nupulevajutust ega ka ränkasid puhastusvahendeid. Aastal 2006 räägib Colorado Springs’i lennujaama majandamise eest vastutav ametiisik Mr. Hill, et alates veevabade urinaalide paigaldamisest on wc-probleemidele kulutatud 90% vähem aega ning säästetud aastas 1,3 miljonit gallonit vett (1 gallon = 3.78541178 liitrit; st ca 5000 t vett). Vot nii! Kuna Ivo kirjutas mõnda aega tagasi uriini kogumisest ja kasutamisest, siis see tehnoloogiline lahendus selgitab, kuidas piss üldse kokku korjata. Jääb vaid oodata, kui palju faktor kümmet pakub meile aasta 2012.

Viited linkidena tekstis.

Autor: Helene

Uriini eraldamine – Kas inimuriin sobib väetiseks?

Taimed, nagu ka kõik teised elusorganismid, vajavad kasvamiseks toitaineid. Toitainete küsimus kerkib eriti teravalt esile kultuurtaimede puhul, arvestades tänapäeva kasvava rahvastiku üha suurenevat nõudlust toidu suhtes. Kultuurtaimede toitainetega varustamise protsess aga ei ole sugugi lihtne, eriti olukorras, kus mure keskkonnasaastatuse pärast kasvab iga aastaga ning soov piirata kasvuhoonegaaside tootmist on saamas üheks prioriteetidest pea igas tootmisvaldkonnas.

Peamiseks meetodiks söögiks kasvatatavatele taimedele toitaineid toota, on mineraalide kaevandamine ja siis nende väetiseks töötlemine. Seejärel väetatakse selle väetisega põllukultuure ning lõpptulemusena jõuab see inimese toidulauale. Läbinud inimese seedesüsteemi, jõuab nii mõnigi taimede toitumise seisukohalt oluline toitaine reoveepuhastisse ning ladestub sealses mudas. Suure toitaine sisaldusega muda ladestatakse kuskil või leitakse talle mõni muu kasutus. Väetama sellega ei kiputa.

Mis on selles pildis valesti? Esiteks maailmas, kus üheks võtmekontseptsiooniks on saamas jätkusuutlikkus, on selline lineaarne ja raiskav protsess risti vastu meie loodavate plaanidega. Me võime rääkida sadadest aastatest, mis kuluvad fosfori ja lämmastiku varude otsa saamiseni, aga ka see aeg on tulemas ja kaevandamine muutub ainult kallimaks. Samuti on probleemiks kaevandamisel emiteeruvad kasvuhoonegaasid.

Joonis 1. Lämmastikuringe.

Kui me püüaks nüüd seda olukorda parandada, on meil eelnevalt tarvis lahendada mitu suurt probleemi. Selleks, et teha lineaarsest ressursikasutusest jätkusuutlik ressursikasutus,  on meil vaja  lõpp-produkt kuidagi protsessi algusesse tagasi viia. Sedasi ringlevad looduses kõik toitained. Selle illustreerimiseks on paslik vaadata lämmastiku ringet, mis on kujutatud joonisel 1. Antud juhul on lõpp-produktiks aga reoveepuhasti muda, mis sisaldab lisaks toitainetele veel üsna suurel hulgal mitmeid teisi, inimese tervise seisukohalt ebasobivaid “asju”, mille põllule sattumine ei ole kõige parem lahendus. Üheks suurimaks probleemiks sealjuures on raskmetallid (Hg, Pb, Cd jt) ja olenevalt kohast võib neid reovee mudas olla üsna palju. Teine suur häda on patogeenid, mida reovees üsna palju leidub. Lisaks eelnevale on inimestel ka sisemine konflikt: paljud  lihtsalt ei taha osta toitu, mida on kasvatatud, kasutades reovee muda.

Joonis 2. Lämmastiku, fosfori ja kaaliumi osakaal erinevates reovee osades.

Üks võimalik lahendus (vähemalt esialgne) oleks ehitada süsteem, kus eraldatakse uriini enne, kui see ülejäänud reoveega kokku saab. Kuna uriinis on väga palju nii lämmastikku kui ka fosforit (joonis 2), siis selle eraldamine võib olla kasulik. Uriin ise on tavaolukordades steriilne ent puutudes kokku fekaalidega (ja seda võib WC potis juhtuda) omab siiski ohtu. Õnneks tagab uriini kõrge pH piisavalt pikal hoiustamisel (olenevalt temperatuurist ja steriilsuse vajadusest 1-6 kuud) steriliseerimise.  Uriinis ei esine ka raskmetalle. Samas on toitainete kontsentratsioon kõrge ja põllule on sellist väetist lihtne kanda (joonis 3).

Joonis 3. Uriini eraldamise süsteemi illustreeritud ülevaade

Loomade uriini on põllul väetisena kasutatud juba väga pikka aega ja seetõttu on ka inimuriini kasutamisele võtmine lihtsam. Masinad, oskused ja kogemused on põlluharijatel juba olemas. Inimuriini eraldamine ülejäänud reoveest võib vähendada oluliselt ka meie reoveepuhastitest väljavoolava vee ravimite ja hormoonide sisaldust. Uuringud näitavad, et suur osa ravimitest ja hormoonidest satub reovette just uriinist ja reovee puhastites on nende ainete eemaldamine raske. Nii satuvadki nad veesüsteemidesse ja teevad seal palju kahju. Uriini väetisena kasutades aga viime me need ravimid maapinda, kus risk ökosüsteemile kahju teha on oluliselt väiksem kui veekeskkonas. Maapind on rohkem “harjunud” suguhormoonidega (suured loomad on maha urineerinud juba miljoneid aastaid). Lisaks on ravimite ja hormoonide jäägid mullas pikemat aega ja selle aja peale nad lagundatakse ära. Ka taime juured ei taha mullast väga suuri molekule vastu võtta. Üldiselt on uuringud seni näidanud, et need ained on tõenäoliselt ohutumad meie tervisele kui taime, putuka ja seenemürgid, mida laialdaselt kasutatakse.

Suured probleemid on aga taristus ja inimeste arvamuste muutmises. Selleks, et uriini eraldamine töötaks, tuleb ehitada korralik süsteem, kus kodudes on spetsiaalsed WC-potid, mis nõuavad ka teatavat hooldust. Lisaks on vaja ka korralikke ja üsna kalleid torustikke ja hoiustamistsisterne. Selle vajalikkust on inimestele raske seletada ja raske on panna inimesi üldse mõtlema oma väljaheidetest kui toitainest. Probleemiks olevat ka see, et mehed tahavad urineerida seistes ja see teeb eraldussüsteemi loomise keerulisemaks. Potid tehakse tavaliselt kahe väljavooluga, nii et uriini kogutakse eespool. See sobib ennekõike istudes urineerimiseks. Keskkonnatehnoloogia üks peamisi eesmärke on jääda aga tavakasutajale mugavaks ja lihtsaks alternatiiviks. Kui keskkonnatehnoloogia kodudesse viia, ei tohi see inimestele valmistada rohkem probleeme kui eelnenud tehnoloogia, muidu seda lihtsalt ei kasutata.

Praegu ei ole veel päris kindel, kuidas saaks korrigeerida toitainete ringi nii, et oleks võimalik viia põllult korjatud kultuurtaimedes sisalduvad toitained põllule tagasi. Samas on lootust, et lähitulevikus siiski leitakse eelnevalt kirjeldatud probleemidele lahendus ning mainitud metoodika leiab laiemat rakendust. Eestis tehakse reovee mudast väetist küll (nt Keilas ja Tartus), aga seda ei kasutata seal, kus seda kõige rohkem vaja oleks – põldudel, kus kasvatatakse kultuurtaimi toiduks. Hetkel on aga sageli probleeme ka sellisele mudale seatud kvaliteedinõuete täitmisega, mistõttu võib öelda, et arenguruumi selle metoodika rakendamisel ning ka kasutamisel veel on, kuid usutavasti lahenevad need probleemid lähitulevikus.

Allikad:

Johansson M. Final Report on the R&D Project “Source-Separated Human Urine – A Future Source of Fertilizer for Agriculture in the Stockholm Region?”

Nitrogen cycle. (2011). In Encyclopædia Britannica. Vaadatud aadressilt http://www.britannica.com/EBchecked/topic/416271/nitrogen-cycle

Winker M., 2009. Pharmaceutical residues in urine and potential risks related to usage as fertiliser in agriculture. PhD thesis, Institute of Wastewater Management and Water Protection, Hamburg University of Technology, Hamburg, Germany. Vaadatud aadressilt http://www.susana.org/docs_ccbk/susana_download/2-1007-en-pharmaceutical-residues-2009.pdf

Intervjuu Dr. Joachim Krügeriga

Tegime Kaisaga ühe huvitava intervjuu eelmise aasta lõpus. Intervjueeritavaks oli Dr. Joachim Krüger Trieri Ülikoolist, kes luges meile Rohelise Tehnoloogia raames loenguid kemikaalidest ning rohelistest märgistest. Teemaks on kemikaalid, mis meie ümber on ning see, kuidas neid vältida ja teada ohtudest. Loodan peatselt valmis saada ka tõlked.

Plaanis on ka blogi vanu postitusi katagoriseerida ja sildistada. Lisaks on tulemas veel uuendusi ja loodame nüüd aktiivsemaks muutuda. Kõike paremat teile!

Mikroobsed kütuseelemendid

Mikroobse kütuseelemendi skeemMikroobne kütuseelement (MKE) on bioreaktor, mis muundab orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energia elektrienergiaks. See toimub anaeroobsetes tingimustes läbi mikroorganismide katalüütiliste reaktsioonide. Mikroorganismide poolt lagundavatest orgaanilistest ainetest otsene elektri tootmine tõestati esmakordselt juba 1910. aastal ent alles viimastel aastatel on see populaarseks uurimissuunaks muutunud. Seda peamiselt seetõttu, et võimaldab biomassist saada energiat ilma süsiniku emissioonideta atmosfääri. MKEsid loodetakse tuleivkus kasutada näiteks reoveepuhastites (on näidatud et kuni 80% keemilisest hapniku tarbest on võimalik eemaldada), et lagundada orgaanilist materjali ja toota osa voolu puhastile tagasi. Lisaks on uuritud nende kasutamist ka biosensoritena ja biovesiniku tootmisel.

Tüüpiline MKE on kahe kambriga: anoodi ja katoodi kambriga, mis on eraldatud üksteisest prootoneid läbilaskva membraaniga. On loodud ka ühe kambriga MKEsid. Nende puhul puudub katoodi kambri vajadus, sest katood on õhu käes. Peamised MKE komponendid on: anood, katood, anoodi kamber, katoodi kamber, prootonite vahetus süsteem ja elektroodide katalüsaator. MKEd võivad kasutada ka elektroni vahendajat, et suurendada toodetava energia hulka. Levinud on neutraal punase, metüleen sinise, tioniini ja meldola sinise põhjal loodud MKEd. Need on aga toksilised ja piiravad MKEde kasutamisvõimalusi. Lisaks traditsionaalsetele MKEdele on võimalik veel luua ka sette MKEsid. Üks elektroodidest pannakse mere settesse, mis on orgaanika ja sulfiidide rikas ning teine üleval olevasse vette.

Mikroobne kütuseelement MKEde toimemehhanism põhineb mikroorganismide elektrontransport ahelal. Anoodi kambris olevad mikroorganismid oksüdeerivad substraate ning toodavad elektrone ja prootoneid. Elektronid liiguvad anoodile ning sealt edasi katoodile läbi välise vooluringi. Prootonid liiguvad läbi membraani katoodi kambrisse ning ühinevad seal hapnikuga moodustades vee. Anoodi kamber peab olema anaeroobne, et tagada elektronide lõppaktseptoriks anood.

Elektronide ülekande võime anoodile on olemas paljudel mikroorganismidel. Mere setted, pinnas, reovesi, mageveekogude setted ja aktiivmuda on rikkad nende mikroorganismide sisalduse poolest ning seetõttu ka head substraadid MKEdele.

Viimastel aastatel on uurima hakatud ka vesiniku tootmist modifitseeirud MKEde abil. Selleks tekitatakse anoodi ja katoodi vahele nõrk pinge (>0,2 V). Katoodil hakkab toimuma prootonite reduktsioon ja tekkibki vesinik. Kuna toodetud vesiniku kogus on relatiivselt suur ja energia tarbimine on väike võib tulevikus MKEde abil vesiniku tootmine olla väga mõistlik kuna nad on võimelised kuni 8-9 mooli vesiniku tootma ühe mooli glükoosi kohta (võrreldes 4 mooliga, mis saavutatakse traditsionaalsel fermentatsioonil).

MKEde jõudlus on senini jäänud veel väga nõrgaks. Suurem osa tööst toimub labori mõõtkavas ja tekitatud energia hulgad on väiksed. Arvatakse aga, et mõjutades anoodi katalüütilist aktiivsust, kütuse diffusiooni ja elektronide ja prootonite diffusiooni ja tarbimist saab suurendada MKEde jõudlust. Tulevikus võib olla võimalik ehitada näiteks toidu töötlemise tehastele MKEd. Kui arvestada, et tehas toodab 7500 kg orgaanilist materjali päevas on potensiaalseks võimsuseks 950kW. 30% efektiivsuse juures aga 330 kW. See süsteem vajaks kuskil 350 m3 suurust reaktorit, mis maksaks kuskil 2,6 miljonit eurot ning hakkaks 10 aasta pärast kasumit tootma.

Teistmoodi majad

Mõned nädalad tagasi sattusin ma olukorda, kus olin sunnitud vanemale härrasmehele selgitama seda, kuidas passiivmajad toimivad ning miks seal ikkagi külm ei hakka. Tuleb tunnistada, et uskmatu on mees ilmselt seniajani ning mis seal imestada – passiivmajad, mis teadupärast meile tuntud traditsioonilist küttesüsteemi ei vaja, võivad tihtipeale inimestes nõutust tekitada. Näitena võib siia tuua välja fakti, et nii mõnigi vastne passiivmaja omanik laseb paigaldada radiaatorid, mille ainsaks funktsiooniks on tagada kindlustunne. Kütmiseks neid üldjuhul tõesti vaja ei ole.

Kui Eestis valmis esimene passiivmaja alles üsna hiljuti, siis maailma esimene passiivmaja sai valmis 1991. aastal Saksamaal. Üldse on maailmas hetkel ligikaudu 15 000 – 20 000 passiivmaja, millest suur enamus paikneb Skandinaavias.

Mis teeb ühest majast passiivmaja?

Selleks, et maja saaks nimetada passiivmajaks, peab ta vastama mitmetele standarditele, mida ühtekokku nimetatakse passiivmaja standardiks. Asjaga pisut kursis olevale inimesele on ehk kõige tuttavam number 15 kWh/m2 aastas, mis tähistab maksimaalset lubatud energia hulka, mis kulub hoone kütmiseks. Võrdluseks võib siin mainida, et Eestis võib vanemates majades see arv ületada 200 kWh/ m2 aastas.

Teiseks kriteeriumiks on piirete õhupidavus, mis arvuna on 0,6 korda tunnis ehk siis ühe tunni jooksul võib vahetuda 60 % ruumis olevast õhust. Oma hoone õhupidavust saab mõõta lihtsa testi abil, mida kutsutakse blower-door testiks. Mida kiiremini hoones õhk vahetub, seda rohkem peame me seda ka kütma ja üldiselt seda ebamugavam on ka hoones olla. Samas tuleb silmas pidada, et väga õhukindlad hooned ilma tõhusa ventilatsioonisüsteemita võivad põhjustada samuti väga palju probleeme liigse niiskuse akumuleerumise tõttu. Eestis võib vanemate majade puhul kohata õhuvahetumise kiiruse väärtusi, mis on kõrgemad kui 1 kord tunnis.

Kolmanda kriteeriumina tuuakse välja primaarenergia vajadus, mis ei tohiks olla kõrgem kui 120 kWh/ m2 aastas.

Eelmainitud kolme kriteeriumi täitmist nõutakse passiivmajadelt, olenemata paikkonna klimaatilistest tingimustest. On veel aga mitmed nõuded, mille arvulised väärtused sõltuvad asukoha klimaatilistest tingimustest, mistõttu näiteks Saksamaale ehitatud passiivmaja ei pruugi Eesti kliimas üldsegi mitte enam passiivmaja tiitlile pretendeerida, arvestades eelpool nimetatud kolme põhilist kriteeriumi.

Miks passiivmajas ikkagi külm ei hakka?

Nagu juba alguses sai mainitud, laseb nii mõnigi vastne passiivmaja omanik paigaldada oma majja ka radiaatorid, kuigi reaalselt neid vaja ei lähe. Kuidas siis ikkagi passiivmajas külm ei hakka? Siin võiks välja tuua kaks olulist eeldust: hoone peab olema külmasildadeta ning konstruktsioon õhutihe ehk siis teisisõnu toas toodetud soojus ei tohiks hoonest niisama lihtsasti välja pääseda.

Passiivmaja termopilt (Wikipedia).

Siin tuleks veel ära märkida, et passiivmaja ehitamisel pööratakse olulist tähelepanu akendele, kuna aknad on hoone selline piirkond, mille kaudu võib välja liikuda oluline hulk soojust. Põhilisteks sooja tootjateks hoones on aga inimesed ise ning nende kasutatavad elektriseadmed, samuti soojendab hoonet päike. Üldjuhul sellest täiesti piisab. Passiivmaja ventilatsioonisüsteemi paigaldatakse vahel ka väikese võimsusega soojuselement, mis toodab sooja juhul, kui väga külmadel päevadel jääb tavapärasest soojustootmisviisist väheks.

Kuna passiivmaja konstruktsioon on õhutihe, on väga tähtsal kohal ventilatsioonisüsteem, mis varustab hoonet värske õhuga ning väldib liigse niiskuse akumuleerumist. Ventilatsioonisüsteem on soojatagastusega, mis tähendab seda, et hoonest välja liikuv soe õhk soojendab hoonesse tulevat külma õhku, mistõttu on soojuse hulk, mis ventileerimise tõttu hoonest välja liigub minimaalne.

Kallis lõbu?

Passiivmaja ehitamine nõuab pisut suuremat finantseeringut kui tavaline hoone (enamasti 5-15 %), kuid tulevikus, mil tiheneb konkurents passiivmajale mõeldud produkte tootvate firmade vahel, langevad suure tõenäosusega hinnad tasemele, mis võimaldavad ehitada passiivmaju odavamalt kui praegu. Samas on passiivmaja ülapidamiskulud väiksemad, kuna kütmiseks kulub vaid ligikaudu 10% energiast, mis kuluks “tavalise” hoone kütmiseks.

Lisan siia ka lühikese video passiivmajast, mida saab vaadata siit .

Kas kuivati või paberkäterätt?

Käsitlen ehk veidi imelikku ja marginaalset teemat, aga see annab võib-olla kena pilgu elutsükli analüüsi maailma.  Refereerin ühte asjakohast artiklit neti sügavustest, mis omakorda refereerib ERMi ehk Environmentatl resources managmenti sõltumatut uuringut. Uuring oligi teemal, mis ka minul peast läbi on lipsanud – kas on keskkonnale kasulikum kasutada pabersalvrätikuid või puhurit? Kodus on mul loomulikult käterätik, aga näiteks Raamatukogus või kohvikus või mujal avalikus kohas. Kui mõtlema hakata, siis juba Tartu linnas on nii kohutavalt palju puhureid ja käte kuivatamise pabereid, et nende keskkonnamõju võib olla… uskumatult suur.

graph20120hand20dryers1Elutsüklianalüüs (LCA – life cycle analysis), millest ma kõnelen käsitleb kogu kätekuivatamise protsessi kuivati või käterätikonteineri valmistamisest kasutamise lõpuni, kusjuures võtab arvesse ka pakendeid, millega paberrätikud kohale tuuakse ja ära viiakse, ning ka prügikasti, kuhu kasutatud rätid visatakse. Arvestab elektritarvet kõigis etappides ning võtab kättekuivati/rätihoidja keskmiseks elueaks 5 aastat (olgem ausad, viie aastaga jõuab mood nii palju muutuda küll, et uus muretseda, eriti peenemates asutustes…). Uuring eeldab, et me kuivatame käsi keskmiselt 30 sekundit ning kasutame kuivatamiseks keskmiselt kahte paberit. Nagu tabelist näha on nii otsese kui energeetilise ressursi kasutus puhuril väiksem.

Kuivati toodab elu jooksul ca 1,6 tonni CO2te, mis on 5100 km pikkuse autosõidu ekvivalent, sama ajaga tekitab keskmine paberikuivatussüsteem 4,6 tonni CO2te, mis on 14,500 km pikkuse autosõidu ekvivalent. Kuivatil on ka väiksem happesuse (SO2 atmosfääri) tekitamise potentsiaal.

amc0648l

Selge see, et puhuri loodussõbralikus on lineaarses seoses ka kasutatud elektritootmismeetodiga. Ma ise küll erilist usku kuivatitesse ei oma. Neil võtab see kuivatamine jube kaua aega, jõuan kiiremini pükstesse või seelikusabasse käed kuivaks tõmmata. Tõsi, olen lennujaamades selliseid ultrakuivateid kohanud, mis ka päriselt käed kuivaks teevad, seda väga väikse aja jooksul…. Samuti on selliseid masinaid, mis sisaldavad kangasarnast asja, mis edasi rullub, ei tea, kus see tuleb, või kus ta minemas on? Kas pestakse puhtaks? 🙂 Kindlasti leidub ka mõni tarkpea, kes antud uuringu teostamisele LCA tegi, edu talle. Aga ühiskondlike hooneid planeerides tasub ilmselt siis silmas pidada, et puhur on tänases maailmas keskkonnale pisut parem variant.

Tuuleenergia võlu ja valu

Tuuleenergiat nähakse peamise Euroopa Liidus peamise energiaallikana, mille abil vähendada taastumatute energiaallikate tarbimist. Seda lihtsalt sellepärast, et antud laiuskraadidel on elektrit tuulest toota palju hõlpsam (ka odavam) kui päikesest. Tuul puhub ka peaaegu igal pool (tõusu-mõõna ja bioenergia rakendused pigem lokaalsed). Tuule energia peamise miinusena tuuakse välja tema kõikumine. Skeptikud küsivad pidevalt, mis saab kui väljas on talvel -20oC ja tuult ei puhu paar nädalat.Ka sellisele olukorrale on võimalik leida erinevaid lahendusi, kuid mitte sellest ei tahtnud ma kirjutada.

Hiljuti käis meediast läbi uudis kuidas hiidlased sõdivad suure tuulepargi vastu mis rikub nende merevaadet. Ka Virumaale Kullengale planeeritav tuulepark tekitab kohalike elanike vastaseisu. Ühelt poolt ma saan nendest inimestest täiesti aru, kes tahavad loodusliku elukeskkonna säilimist, et säiliks vaade, kus meri kaob silmapiiri taha. Ning tuulepark võib rikkuda nii mõnegi hingematvalt ilusa vaate. Teisalt kui tahetakse rakendada mastaapseid plaane, mille kohastelt ainuüksi Eestis Energia rajatavate tuulikute koguvõimsus on 1 GW (pool Narva põlevkivi jaamade võimsusest), siis paraku on ei jää just palju kohti, kust pilku merele keerates, ei oleks tuulikuid näha. Siit tekivad kohe konfliktid, ühelt poolt me soovime tuuleenergiat teisalt ei taha näha tuulikuid. Tekib jälle otsustamise koht, millest kirjutasin ka „Looduskaitsealade tulu ja kulu“ teema all. Kas me hindame rohkem saadavat elektrit või vaadet ja kohalike elanike heaolu. Paratamatult pole Eestis nii asustamata rannikuid, mis ei oleks looduskaitsealad ning kus tuulikute rajamine kedagi ei mõjutaks. Praeguse olukorra jätkudes on oodata pea iga uue tuuliku rajamisel kohalike elanike vastaseisu ja kohtuskäike. Kas energianälg paneb meid harjuma mereäärsete tuuleparkidega või leitakse lahendusi kuskilt mujalt?