Hiilen teollisuuden uudelleenkuvittelu hiilidiöidien avulla

Vuonna 2023 joulukuussa 198 allekirjoittanutta maata COP-konferenssissa (Conference of Parties) sopivat yhteisesti, että maailman on “siirryttävä” pois fossiilisista polttoaineista, kuten hiilestä, “oikeudenmukaisella, järjestelmällisellä ja tasapuolisella tavalla” vähentääkseen kasvihuonekaasupäästöjä lähes nollaan vuoteen 2050 mennessä. Aikatauluja ei kuitenkaan ole vielä asetettu, joten fossiiliset polttoaineet tulevat olemaan talouksien peruspilareita tulevina vuosina.

Hiili on maailman hallitsevin ja hiilipitoisin energialähde. Neljä päätyyppiä hiiltä ovat:

(i) Antrasiitti
(ii) Bitumihiili
(iii) Subbitumi
(iv) Ligniitti

Tämä fossiilinen polttoaine vastaa yli 37% maailman sähköntuotannosta, toimien keskeisenä tekijänä kodin ja teollisuuden energianlähteenä sekä lievittäen maailman energioköyhyyttä. Jo tänäkin päivänä noin 860 miljoonaa ihmistä ympäri maailmaa elää ilman sähköä. Näin ollen moderni elämä on yksinkertaisesti kuviteltavissa ilman hiiltä.

Maailmanlaajuinen hiilen käyttö saavutti todellakin ennätyskorkeuden vuonna 2023, kun fossiilisen polttoaineen kysyntä kasvoi 1,4 % vuodessa ylittäen 8,5 miljardia metrija kilogrammaa ensimmäistä kertaa, raportoi kansainvälinen energiajärjestö (IEA). Sen maailmanlaajuinen kulutusennuste on pysyä hyvin yli 8 miljardia metrija kilogrammassa vuonna 2026.

Hiili on olennainen resurssi, jonka avulla voidaan vastata nopeasti kasvavan energiankulutuksen haasteeseen, koska se on merkittävästi edullisempi ja helpommin saatavilla kuin muut fossiiliset polttoaineet. Toisin kuin öljy ja kaasu, sitä löytyy runsaasti kaikkialla maailmassa.

Hiilen etuna on, että se ei vaadi korkean paineen putkistoja, kalliita prosesseja tai kallista suojelua kuljetuksen aikana, mikä tekee sen varastoinnista ja kuljettamisesta helpompaa kuin muiden erittäin helposti syttyvien fossiilisten polttoaineiden. Lisäksi ennen käyttöä hiili tarvitsee vain louhia, toisin kuin muut fossiiliset polttoaineet, jotka vaativat pitkän ja kalliin jalostusprosessin.

Ei pidä myöskään unohtaa, että hiilivarannot jakautuvat paljon tasaisemmin planeetan ympäri. Tammikuusta 2020 alkaen Yhdysvalloilla on maailman suurimmat hiilivarannot, jotka muodostavat lähes 90 % kaikista fossiilisista polttoainevarannoista, arvioitu määrä on 250 miljardia tonnia.

Halvemman ja helpommin saatavilla olevan lisäksi hiili on myös erittäin monikäyttöinen ja sitä voidaan käyttää monissa prosesseissa. Hiiltä käytetään pääasiassa maailmanlaajuisesti sähkön tuotantoon, ja se on itse asiassa edullinen energiamuoto, sillä hiilestä tuotettu sähkö on halvempaa kuin muista lähteistä tuotettu sähkö.

Jopa Yhdysvalloissa hiiltä käytetään sähkön tuottamiseen polttamalla fossiilista polttoainetta voimalaitoksissa. Tämän seurauksena syntynyttä lämpöä käytetään veden muuttamiseen korkeapaineiseksi höyryksi, joka pyörittää turbiinia ja tuottaa sähköä. Vuonna 2019 noin 23 % kaikesta Yhdysvaltain sähköstä tuotettiin hiilivoimalaitoksista, Yhdysvaltain energiatiedonhallinnon (EIA) mukaan.

Tätä fossiilista polttoainetta käytetään myös teräksen ja betonin valmistukseen, ja se on keskeinen osa rautametallin tuotantoa sekä muiden metallien, kuten alumiinin ja kuparin, valmistuksessa. Hiiltä ja sen sivutuotteita käytetään lisäksi vesisuodattimissa ja ilmanpuhdistusjärjestelmissä, lentokoneiden ja autojen rakenteissa, lääkkeissä sekä kemiallisissa prosesseissa harvinaisten maametallien erottamiseen.

Sitten on hiilen kaasuttamisen ja nesteyttämisen käyttötapauksia, joista suurin osa hiilikaasuprojekteista sijaitsee USA:ssa ja Kiinassa, muutamia Australiassa, Kanadassa, Intiassa, Etelä-Afrikassa ja Indonesiassa. Kemiallisten rakennusosien, kuten ammoniakin, metanolin ja urean, tuottamisen lisäksi hiiltä käytetään myös paperi-, tekstiili- ja lasiteollisuudessa. Hiilikuitujen valmistuksen ohella se tarjoaa esimerkiksi piimetalleja, joita käytetään henkilökohtaisen hoidon ja kotitaloussektorin komponenttien valmistukseen.

Huolimatta hiilen runsautta, edullisuutta ja luotettavuutta, ala kohtaa haasteita teknologioiden ja polkujen kehittämisessä kohti nollapäästöjä, mikä on tunnistettu ilmastonmuutoksen tekijäksi.

Klikkaa tästä oppiaksesi, onko ennaltaehkäisy vai hoito tapa käsitellä ilmakehän CO2:ta.

Hiilen taloudellisen roolin uudelleenarviointi

Kun maat ympäri maailmaa sitoutuvat siirtymään muihin energian tuotantotapoihin ilmastonmuutokseen vaikuttavien tekijöiden vuoksi, tutkijat ja tiedemiehet etsivät muita tapoja hyödyntää hiiltä. 

Uudelleenarvioidakseen fossiilisen polttoaineen taloudellista roolia Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, National Energy Technology Laboratory, University of Illinois Urbana-Champaign ja Oak Ridge National Laboratory yhdistivät voimansa yhteisen tutkimusprojektin ja osoittivat hiilen kriittisen roolin seuraavan sukupolven elektronisissa laitteissa.

Viime vuosina on tehty paljon tutkimusta 2D-materiaalien alalla niiden sähköisten, optisten ja mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. Erilaisten atomitaso ohuiden 2D-materiaalien synteesi avaa uuden alustan kerros kerrokselta -materiaaleille, jotka mahdollistavat tuntemattomien ominaisuuksien tutkimisen ja lupaavat monia uusia teknologioita. 

2D-kerrokselliset puolijohteet omaavat ominaisuuksia kuten korkea liikkuvuus, vähävirrankulutus, suhteellisen suuri energiaraja ja mahdollisuus laajojen alueiden kasvatusmenetelmiin, mikä tekee niistä lupaavan ehdokkaan seuraavan sukupolven elektroniikalle. Nyt hiiltä kokeillaan käytettäväksi tällaisessa elektroniikassa. 

“Hiiltä pidetään yleensä jotain massiivisena ja likaisena, mutta kehittämämme käsittelytekniikat voivat muuttaa sen korkealaatuisiksi materiaaleiksi, jotka ovat vain muutaman atomin paksuisia.” 

– sanoi Qing Cao, I:n (University of Illinois) materiaalitieteen ja tekniikan professori, joka oli mukana johdattamassa hanketta. 

Hän myös totesi:

“Niiden ainutlaatuiset atomirakenteet ja ominaisuudet ovat ihanteellisia pienten mahdollisten elektroniikkalaitteiden valmistamiseen, joiden suorituskyky on parempi kuin nykyteknologia.”

Tämän yhteistyön puitteissa tutkijat kehittivät prosessin, joka muuntaa hiilikynnet erittäin pieniksi hiilikiekkoiksi, joita kutsutaan “hiilidiöideiksi”. 

Tutkimusryhmän esittämänä nämä nanoskaalatut hiilikiekot voidaan yhdistää luomaan atomitasoisia kalvoja. Näitä kalvoja voidaan käyttää sovelluksissa, kuten kaksidimensionaalisissa (2D) transistoreissa ja memristoreissa. Tutkijoiden mukaan nämä teknologiat ovat ratkaisevia tehokkaampien elektroniikkalaitteiden rakentamisessa. 

Vaikka hiilipohjaiset materiaalit, olipa kyse perinteisestä teollisuushiiosta kuten hiilipiikistä tai uudesta teollisuushiiosta kuten grafiitista ja hiilikuiduista, näyttelevät merkittäviä rooleja materiaalitieteen kehityksessä, makroskooppista hiilimateriaalia ei voida todella käyttää tehokkaana fluoresoivana materiaalina sopivan energiaraon puutteen vuoksi. Tässä hiilidiöidit (CD:t) ovat nousseet lupauksellisena ratkaisuna.

Hiilidiöidit tai CD:t ovat uusi hiilipohjainen nanomateriaali, joka on saanut paljon huomiota ja tutkimusintoa monipuolisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi. Hiilidiöidit valmistetaan huolellisesti ja ovat yleensä alle 10 nm kokoisia. Tämä hiilipohjainen nanomateriaali omaa ominaisuuksia kuten pieni koko, ympäristöystävällisyys, alhainen hinta, alhainen toksisuus, korkea stabiilisuus, hyvä biokompatibiliteetti, elektronin liikkuvuus, korkea kvanttihyötysuhde, runsaasti funktionaalisia ryhmiä ja ainutlaatuiset optiset ominaisuudet, mukaan lukien vahva absorptio, fotoluminesenssi ja fosforesenssi.

Kaikki nämä ominaisuudet tekevät tästä hiiliperheen uudesta materiaalista niin suositun ja sillä on monia sovelluksia. Näihin kuuluu:

• Anturit
• Tiedon salaus
• Fotokatalyysi
• Valoa säteilevät diodit
• Kemiallinen tunnistus
• Aurinkokennot
• Superkondensaattorit
• Ladattavat akut
• Biokuvaus
• Valoterapia
• Geenien toimitus
• Drudge-toimitus
• Räjähteiden havaitseminen
• Nanolääketiede
• Elintarviketurvallisuus
• Väärennösten torjunta

Lue, miten metaani voi olla avain ilmastotavoitteiden saavuttamiseen.

Hiili näyttelee keskeistä roolia seuraavan sukupolven elektroniikassa 

Tutkijat ja tiedemiehet ympäri maailmaa ovat työskennelleet pienempien, nopeampien ja kehittyneempien elektroniikkalaitteiden kehittämiseksi. Tämä tarkoittaa, että vain yhden tai kahden atomin paksuisista materiaaleista valmistetut laitteet toimivat paljon nopeammin ja kuluttavat huomattavasti vähemmän energiaa. 

Näiden laitteiden osalta on tehty paljon tutkimuksia ultrahienojen puolijohteiden suhteen, mutta nyt tarvitaan laajaa tutkimusta atomitasoisista eristeistä, jotta voidaan rakentaa toimivia elektronisia laitteita, kuten transistoreita ja memristoreita.

Materiaalien osalta ne jaetaan johtimiin, puolijohteisiin ja eristeisiin niiden kyvyn perusteella johtaa sähkövirtaa. Materiaalit kuten kupari, messinki, teräs, kulta ja alumiini, jotka johtavat sähköä helposti alhaisen sähkönjohtavuuden vuoksi, kutsutaan johtimiksi. 

Eristimet ovat materiaaleja kuten lasi, ilma, puu, muovi ja kumi, jotka eivät johda sähköä helposti. Samaan aikaan materiaalit kuten pii (Si), germanium (Ge) ja seleeni (Se), sekä yhdisteet kuten galliumarsenidi (GaAs) ja indiumantimoniidi (InSb), omaavat sähkönjohtavuuden, joka sijoittuu johtimen ja eristeen väliin.

Puolijohteen vastus pienenee lämpötilan noustessa, kun taas puolijohteen johtavuus kasvaa lämpötilan noustessa.

Eristimillä on laaja käyttöalue, mukaan lukien seinäeristys lämmön virtauksen säätämiseksi, uunieristys lämpö- ja dielektrisiksi esteiksi, äänieristys häiriöiden estämiseksi sekä sähköeristys kotitalouksien piireissä ja kondensaattorit kaupallisissa ja kuluttajatuotteissa. Puolijohteita on myös kaikkialla ympärillämme, kuten pienet transistorit, jotka ovat lähes jokaisessa käyttämässämme laitteessa, sekä aurinkokennot aurinkopaneeleissa, jotka muuttavat auringonvalon sähköksi.

Eristimissä valenssi- ja johtavuuskaistojen välinen energiaraja on erittäin suuri (noin 15 eV), kun taas puolijohteessa tämä raja on hyvin pieni (noin 1 eV). 

Viimeisimmän tutkimuksen mukaan atomitasoiset hiilikerrokset, joilla on epäjärjestäytynyt atomirakenne, voivat toimia erinomaisena eristeenä 2D-laitteiden rakentamisessa, jotka tiimi loi hiilikynneistä johdetuista hiilidiöideistä.

Nyt, osoittaakseen hiilestä johdettujen hiilirakenteiden potentiaalin, tutkijat käyttivät niitä porttidiielektrinä 2D-transistoreissa. Molybdeeni-disulfidipohjaisella puolijohteella tiimi loi laitteen, jonka toimintasaatavuus oli yli kaksi kertaa nopeampi ja energian kulutus alhaisempi.

Nämä hiilestä johdetut hiilirakenteet eivät sisällä “roikkuvia” sidoksia, jotka ovat yleisiä perinteisten 3D-eristeiden pinnoilla. Toimimalla tehokkaasti “ansana”, ne muuttavat 3D-eristeiden sähköisiä ominaisuuksia, hidastaen liikkuvien varauksien kuljetusta, mikä vaikuttaa transistorin kytkentänopeuteen.

Kuitenkin uudet hiilestä johdetut hiilirakenteet, toisin kuin muut atomitasoiset materiaalit, ovat amorfisia, ja ei-toivotut sähkövirrat kulkevat eristeen läpi, mikä johtaa merkittävään lisäenergiankulutukseen laitteiden toiminnan aikana. Herra Qing Cao sanoi:

“Se on todella jännittävää, koska tämä on ensimmäinen kerta, kun hiili, jonka näemme yleensä matalan teknologian tuotteena, on suoraan yhdistetty mikrosähkötekniikan huippuosaamiseen.”

Toinen tutkimuksen esittelemä sovellus on memristorit, elektronisia komponentteja, jotka voivat tallentaa ja käsitellä dataa, parantaen merkittävästi tekoälyn (AI) toteutusta. Nämä laitteet tallentavat ja esittävät dataa säätelemällä johtavaa filamentiä.

Käyttämällä erittäin ohuita hiilirakenteita eristeenä, tutkijat pystyivät nopeaan filminentin muodostumiseen alhaisella energiankulutuksella, mikä mahdollisti laitteen toiminnan korkealla nopeudella ja alhaisella teholla. Lisäksi atomikokoiset renkaat näissä hiilestä johdetuissa hiilirakenteissa ansaitsevat filminentin parantaen toistettavien laitteiden toimintaa ja lisäten datan tallennusluotettavuutta.

Nämä uudet laitteet osoittavat, että hiilikynneistä johdetut hiilirakenteet voidaan käyttää 2D-laitteissa. Seuraavassa vaiheessa yhteistyö pyrkii kehittämään “valmistusprosessin hiilipohjaisille hiili­eristeille”, jota voidaan soveltaa laajassa mittakaavassa.

Uuden lähestymistavan hyödyntäminen 

Kun maailma siirtyy pois hiilestä kasvavan keskittymisen vuoksi kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen, alan jatkuva tutkimus hiilen uudelleenarvioimiseksi voi nähdä eri teollisuudenalat, kuten puolijohdevalmistajat, hyödyntävän sen uusia muotoja tulevaisuudessa. Tarkastellaanpa joitakin yrityksiä, jotka voivat omaksua tällaisia lähestymistapoja. 

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Tämä on maailman suurin sirujen valmistaja, joka hyödyntää alan kehittyneimpiä prosessiteknologioita. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. tunnetaan monien korkean profiilin asiakkaiden, kuten NVIDIA, AMD, Intel ja Apple, tarpeiden palvelemisesta. Yrityksen tuotesovellusten alue kattaa laajan sähköteollisuuden, ja se on laajentanut toimintaansa hitaasti ympäri maailmaa tehtaitensa jakaessa kolmelle mantereelle.

Markkina-arvolla 530,26 miljardia dollaria TSM-osakkeet kaupankäynnissä tällä hetkellä hintaan 101,40 dollaria, mikä on 1,69 % alhaisempi vuoden alusta (YTD). Yritys raportoi liikevaihdon viimeisen kahdentoista kuukauden (TTM) aikana 69,84 miljardia dollaria, EPS (TTM) 5,36, P/E (TTM) 19,08 ja ROE (TTM) 29,43 %. Taiwan Semiconductor Manufacturing maksaa myös 1,88 %:n osinkotuoton.

#2. NVIDIA Corporation 

Tämä yritys kehittää laitteistoja ja ohjelmistoja pelaamiseen, kannettaviin tietokoneisiin, datakeskuksiin ja sovelluksiin, ja se on erityisesti tunnettu grafiikkasuorittimien (GPU) luomisesta erilaisiin sovelluksiin, kuten peleihin, kryptolouhintaan ja tekoälyyn. 

Viime aikoina Nvidia esitteli uuden työpöytägrafiikkasuorittimensa, GeForce RTX 40 SUPER -sarjan, videopeliharrastajille sekä paikallisten AI-sovellusten suorittamiseen. Nvidia laajentaa myös läsnäoloaan Kiinan sähköautosektorilla, kun se ilmoitti, että neljä kiinalaista sähköautobrändiä käyttävät sen teknologiaa automaattisiin ajajärjestelmiin.

Markkina-arvolla 1,29 biljoonaa dollaria NVDA-osakkeet kaupankäynnissä tällä hetkellä hintaan 522,58 dollaria, mikä on 5,5 % nousu vuoden alusta (YTD). Yritys raportoi liikevaihdon viimeisen kahdentoista kuukauden (TTM) aikana 44,87 miljardia dollaria, EPS (TTM) 7,57, P/E (TTM) 68,99 ja ROE (TTM) 69,17 %. Nvidia maksaa myös 0,03 %:n osinkotuoton.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Tämä CPU- ja GPU-suunnittelija on yksi suurimmista siruyrityksistä, joka äskettäin ilmoitti Ryzen 8000G -sarjasta, jonka päämallina on Ryzen 7 8700G, jonka AMD:n mukaan on nopein integroidun grafiikkakiihdyttimen omaava. Samaan aikaan Advanced Micro Devicesin uusin GPU, Radeon-sarja, palvelee pelimarkkinoiden alempaa ja keskitasoa.

Markkina-arvolla 236,154 miljardia dollaria AMD-osakkeet kaupankäynnissä tällä hetkellä hintaan 145,21 dollaria, mikä on 0,83 % alhaisempi vuoden alusta (YTD). Yritys raportoi liikevaihdon viimeisen kahdentoista kuukauden (TTM) aikana 22,11 miljardia dollaria, EPS (TTM) 0,13, P/E (TTM) 1 152,84 ja ROE (TTM) 0,38 %.

Yhteenveto

Kuten näemme, hiiliteollisuutta muokataan tutkijoiden ja tiedemiesten toimesta, jotka paljastavat sen arvon ja roolin luomalla hiilidiöidejä, joilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka voivat tehdä niistä todella hyödyllisiä seuraavan sukupolven elektronisissa laitteissa. Näin hiiliteollisuus voi auttaa muokkaamaan tulevaisuuden elektronisia teknologioita kestävällä tavalla.