Mitä muuttujia pitää tuntea, kun maankäytön suunnittelussa halutaan ottaa ympäristö mahdollisimman hyvin huomioon? Tutkijat kehittivät tietokoneohjelmiston, joka laittaa maankäytön eri vaihtoehdot paremmuusjärjestykseen luontoarvojen näkökulmasta.
 

Maankäyttö on yksi ihmiskunnan suuria haasteita. Ihmismäärä kasvaa ja luonnon tila heikkenee koko maapallolla. Miten jakaa tila asutuksen, ruuantuotannon, liikkumisen ja luonnon kesken? Minne perustaa tehdasalue, entä missä on suojelemisen arvoinen luontoalue? Päätöksillä on vaikutusta kauas tulevaisuuteen, ja siksi on tärkeää tehdä eri valintojen vaikutukset ymmärrettäviksi.

Tutkimusjohtaja Atte Moilanen Helsingin yliopistosta ryhtyi etsimään vastauksia kehittämällä tietokoneohjelmistoa, jota auttaisi maankäytön suunnittelijoita ottamaan yhtä aikaa huomioon luonnon monet ulottuvuudet, kun alueita halutaan laittaa järjestykseen luontoarvojen säilyttämisen näkökulmasta.  

Tavoitteena oli ohjelmisto, joka kertoo, minkä alueiden suojelusta ja hoidosta on eniten hyötyä lajien, elinympäristöjen ja ekosysteemipalveluiden turvaamiseksi. Mitkä metsäalueet esimerkiksi olisivat hyvät Suomen metsien kaiken lajiston suojelemiseksi tai Suomen merenalaisen luonnon suojelemiseksi? 

Tä­hän pää­dyt­tiin: Eko­lo­gian huo­mioi­mi­nen maan­käy­tön suun­nit­te­lus­sa on mah­dol­lis­ta 

Moilasen tutkimusryhmän kehittämästä Zonation-ohjelmasta julkaistiin ensimmäinen versio vuonna 2005. Tutkimuksen rahoitti Suomen Akatemia, ja sittemmin kehitystä ovat rahoittaneet myös Euroopan unioni (ERC) ja ympäristöministeriö. 

Kehitystyön lopputuloksena on ohjelmisto, joka pystyy analysoimaan esimerkiksi Suomen maa-alueet hehtaarin ruuduissa tai koko maapallon maa-alueet yhden neliökilometrin ruuduissa 22 000 biodiversiteettipiirteen mukaan. 

Biodiversiteettipiirteiksi sanotaan luonnon monimuotoisuuden osasia, kuten eläinlajeja, eliöyhteisöjä ja elinympäristöjä, ekosysteemipalveluita ja geenejä. Tavallisin tapa mitata monimuotoisuutta on mitata lajirunsautta eli tietyn alueen eliölajien lukumäärää. Zonation-ohjelmisto pystyy kuitenkin tekemään priorisoinnin, jossa kaikki piirteet huomioidaan samanaikaisesti kaikilla alueilla. 

Ohjelmiston tuottamia analyysejä voidaan soveltaa muun muassa: 

• suojelualueverkostojen ja niiden laajennusten suunnittelussa 

• rakennustoiminnan ekologisten haittavaikutusten välttämisessä tai vähentämisessä

• kaavoituksen tukemisessa

• elinympäristöjen ennallistamisen tai luonnonhoidon kohdentamisessa 

• ekologisten kompensaatioiden kohdentamisessa. Ekologinen kompensaatio tarkoittaa ympäristöä vaurioittavan toiminnan haittojen korvaamista niin, että parannetaan heikentyneitä elinympäristöjä toisaalla.

Zonation pystyy huomioimaan myös luonnonsuojelun kustannukset ja vaihtoehtoiskustannukset. Sen vuoksi se auttaa myös suuntaamaan monimuotoisuuden turvaamiseen käytettävissä olevat resurssit mahdollisimman tehokkaasti.

Näin tut­ki­mus vai­kut­ti: Zo­na­tio­nia käy­te­tään ym­pä­ri maa­il­man

Zonation on levinnyt Suomessa ja maailmalla laajasti. Metsähallitus otti ohjelmiston ensimmäisenä käyttöön vuonna 2008, kun valtion metsiensuojeluverkoston laajennusta suunniteltiin. Zonationia hyödynnetään myös Etelä-Suomen metsien vapaaehtoista suojelua edistävässä METSO-ohjelmassa

Syken ja Metsähallituksen lisäksi myös maakuntaliitot ovat käyttäneet Zonationia. Ohjelmaa on hyödynnetty muun muassa vaihemaakuntakaavojen valmistelussa, Uudenmaan viherrakenteiden ja Keski-Suomen turvesoiden priorisoinnin yhteydessä. Vuonna 2018–2019 käynnissä on myös Suomen merialueiden suojeluverkoston tehokkuuden arviointi ja kehityskohteiden tunnistaminen. 

Zonation on ladattu käyttöön suurimpaan osaan maailman maista  ja esimerkiksi Uuden-Seelannin kaikki maakunnat ovat kohta teettäneet maankäyttösuunnitelmat, jotka pohjaavat Zonation-analyyseihin.

Vuoden 2005 jälkeen ohjelmistosta on julkaistu kolme päivitettyä versiota ja neljättä suunnitellaan Koneen Säätiön vuonna 2018 myöntämän rahoituksen turvin.

Vuonna 2018 kansainvälinen luonnonsuojelun edistämisen seura Society for Conservation Biology, SCB, myönsi Moilaselle arvostetun SCB Europe Distinguished Service Award in memory of Ilkka Hanski -tunnustuksen. Perusteluna olivat Moilasen ansiot ekologian, matematiikan ja tietojenkäsittelytieteen menetelmien tuomisessa luonnonsuojelun ja kestävän ympäristönhoidon tutkimuksessa.

 

Lisätietoa tutkimuksesta:

Tutustu Zonation-ohjelmistoon

Atte Moilasen julkaisut, projektit ja aktiviteetit

Japanin Fukushiman  ydinvoimalaonnettomuuden jäljiltä on käynnissä jättimäinen vedenpuhdistusoperaatio, jossa on käytössä Helsingin yliopistossa kehitetty selektiiviseen ioninvaihtoon perustuva menetelmä. Uuden materiaalin avulla puhdistus nopeutuu ja loppusijoitusta vaativaa kiinteää radioaktiivista jätettä syntyy vähemmän.

Japanin Fukushimassa tapahtui keväällä 2011 ydinvoimalaonnettomuus. Vaikka radioaktiivista vettä on puhdistettu alueella jo vuosia, työ jatkuu. Toistaiseksi japanilaisviranomaiset eivät ole sallineet veden juoksutusta mereen, sillä täysin puhdasta vettä ei ole saatu aikaan. Ydinvoimalan alueelle on rakennettu valtavia säiliöitä, joissa radioaktiivista tai vähemmän radioaktiivista vaarallista vettä varastoidaan.

Radioaktiivista vettä syntyy 400 kuutiota päivässä, sillä maaperästä tihkuvan veden pääsyä hajonneeseen ydinreaktoriin ei ole kokonaan pystytty estämään. Hajonneen reaktorin läpi virratessaan vesi kontaminoituu välittömästi radionuklideilla.

Voimalan omistaja Tokio electric power eli Tepco on vastuussa puhdistusoperaatiosta, jota käytännössä hoitavat useat eri yritykset eri menetelmillä.

Puhdistaminen tapahtuu pumppaamalla radioaktiivinen vesi puhdistuslaitteiston 14 kolonnin läpi. Kussakin kolonnissa vedestä saadaan pois jokin radioaktiivisista aineista. Radioaktiiviset ainekset jäävät kiintoaineeseen, joka täytyy loppusijoittaa. Tämä on tavoite, sillä radioaktiivinen kiinteä aine on helpompi ja turvallisempi käsitellä ja varastoida kuin radioaktiivinen vesi.

Helsingin yliopistossa kehitetty materiaali eli rakeistettu natriumtitanaatti on vastuussa tärkeimpien fissiotuotteiden erotuksesta Fukushimassa. Cesiumin ja strontiumin poisto on lähes täydellinen eli 99,9 prosenttia.

Tutkija Risto Koivulan  Ion exchange for nuclear waste treatment and for recycling -tutkimusryhmä kehittää ioninvaihtoon perustuvia erotusmenetelmiä. Tutkijat ovat testanneet, miten sähkökehräys vaikuttaa natriumtitanaatin ioninvaihto-ominaisuuksiin, eli voitaisiinko vedenpuhdistusta tehostaa.

Tämä selvisi: Materiaalin reaktionopeus kasvaa

Koivulan ryhmän tutkimuksessa selvisi, että sähkökehrätty natriumtitanaatti nopeuttaa selektiiviseen ioninvaihtoon perustuvaa radioaktiivisen veden puhdistusta. Sähkökehrätyn materiaalin edut liittyvät ioninvaihdon kinetiikkaan eli reaktionopeuteen, jolloin samalla vaihdin määrällä voidaan käsitellä enemmän vettä. Lisäksi kehrätty kuitu voidaan puristaa pieneen tilavuuteen loppusijoitusta varten.

Helsingin yliopistossa sähkökehräyslaitteet on kehitetty ja valmistettu Mikko Ritalan johdolla atomikerroskasvatuksen huippututkimusyksikössä. Tätä melko yksinkertaista menetelmää kokeiltiin onnistuneesti natriumtitanaatin muokkaamisessa kuiduiksi.

Koivulan ryhmä tutki näin valmistettujen kuitujen ioninvaihto-ominaisuuksia ja totesi niiden toimivan kaupallisten tuotteiden tavoin, joten sähkökehrättyä materiaalia voitaisiin markkinoida kohteisiin, joissa nyt käytetään rakeistettua materiaalia.

Näin tutkimus vaikutti: Pienemmät säiliöt ja vähemmän loppusijoittavaa

Toistaiseksi sähkökehräystä ja sen avulla tuotettua materiaalia on kokeiltu Helsingin yliopiston kemian yksikössä laboratoriomittakaavassa. Uusi materiaali näyttää toimivan tällä hetkellä markkinoilla olevaa natriumtitanaattia paremmin, joten sen valmistus ja markkinointi teollisessa mittakaavassa on kehitystyön seuraava vaihe.

Ilman sähkökehräystä jätettä syntyy runsaasti ja puhdistettua vettä kertyy vähemmän:

Radioaktiivista vettä pumpataan puhdistusprosessin aikana säiliöstä toiseen. Kiintoaine kerätään talteen.

 

Sähkökehräystä käytettäessä jätettä syntyy vähemmän, ja puhdistettua vettä enemmän:

Radioaktiivista vettä pumpataan puhdistusprosessin aikana säiliöstä toiseen. Kiintoaine kerätään talteen.

 

Sylintereihin ladatun ioninvaihtimen läpi kulkiessaan jäteveden radioaktiivinen strontium vaihtuu tavalliseksi ruokasuolan natriumiksi. Kun ioninvaihtokapasiteetti tulee täyteen, suodattimena käytettävä aine pitää vaihtaa. Tästä syntyy kiinteää radioaktiivista jätettä.

Koska sähkökehrättyä materiaalia tarvitaan veden puhdistukseen jo alun perin vähemmän, myös loppusijoitusta vaativat radioaktiiviset jätteet tulevat mahtumaan pienempään tilaan.
 

Lisätietoa tutkimuksesta:

Risto Koivulan tutkimukset, projektit ja aktiviteetit

Mikko Ritalan tutkimukset, projektit ja aktiviteetit

Ion exchange for nuclear waste treatment and for recycling –tutkimusryhmä

Electrospun sodium titanate fibres for fast and selective water purification, Eero Santala, Risto Koivula, Risto Harjula & Mikko Ritala, Environmental Technology 2018

Removal of Radionuclides from Fukushima Daiichi Waste Effluents Lehto, J., Koivula, R., Leinonen, H., Tusa, E. & Harjula, R., 10 tammikuuta 2019, julkaisussa : Separation and Purification Reviews. 10.1080/15422119.2018.1549567

Maaperän ominaisuudet, kuten lämpötila ja kosteus, ovat kasvien kasvun kannalta olennaisia. Helsingin yliopistossa tehty tutkimus on luonut pohjan maahan kaivettaville langattomille antureille, joiden avulla maaperän tilannetta voidaan seurata verkossa esimerkiksi pelloilla ja golfkentillä.

Maaperä, sen lämpötila ja kosteus vaikuttavat kasvien kasvuun. Maasta voidaan ottaa näytteitä, joista selvitetään esimerkiksi maalaji ja ravinnetaso. Maan kosteustilannetta pystytään paikallisesti tarkastelemaan kaivamalla kuoppia tai käyttämällä maanpinnan päältä luettavia mittareita. Toteutuneiden sademäärien perusteella voidaan myös arvioida maaperän kosteustilanteen kehittymistä.

Maan pinnalta tehtävät arviot ovat kuitenkin monella tavalla haastavia. Erilaiset maakerrokset kuljettavat vettä eri tavoin, joten kosteustilanne voi vaihdella paljonkin aivan vierekkäisissä tarkastelukohdissa. Lisäksi monien kasvien juuret ovat syvällä, joten pintakerroksen tutkiminen ei anna luotettavaa tietoa juuristoalueen tilanteesta. Arviot edellyttävät kulkemista viljeltävällä alueella, joten tarkkailu vie paljon aikaa. Tietoa ei myöskään saada automaattisesti talteen.

Johannes Tiusanen halusi 2000-luvun alussa maatalousteknologian opintojensa yhteydessä selvittää, olisiko mahdollista luoda järjestelmä, joka tarjoaisi keinoja saada langattomasti tietoa maan alta ja sitä kautta hoitaa maata mahdollisimman tarkoituksenmukaisesti. Hän perehtyi väitöstutkimuksessaan syvällisesti sekä fysiikkaan, matematiikkaan että radiotekniikkaan.

Tutkimus on uraauurtavaa perustutkimusta, sillä esimerkiksi radioaaltojen kulkeutumista maassa ei ollut kattavasti selvitetty aiemmin.

Tämä selvisi: langattomat anturit voivat tuottaa jatkuvasti tietoa maaperän uumenista

Tutkimuksissa ratkaistiin useita teknisiä ongelmia. Maaperän kosteuden muuttuessa muuttuu myös sen sähkönjohtokyky, joten radiosignaalin lähettämiseksi erilaisissa kosteusolosuhteissa tarvitaan mahdollisimman pienikokoinen laajakaista-antenni.

Lisäksi Johannes Tiusanen keksi, miten signaali saadaan toimivasti syötettyä anturista antenniin. Kaikki nämä tulokset johtivat anturin prototyypin luomiseen ja lopulta Soil Scout -yrityksen perustamiseen.

Näin tutkimus vaikutti: vettä ja työtä säästyy golfkentillä, satotaso ja maaperän tilanne voidaan yhdistää peltoviljelyssä

Golfkentillä on pitkä perinne maaperän ja sen olosuhteiden tarkkailusta, joten Yhdysvalloissa ne ovat olleet ensimmäisten joukossa ottamassa antureita käyttöön. Anturit ovat tehneet mahdolliseksi jatkuvan kosteustilanteen tarkkailun myös golfkenttien väylillä, missä manuaalinen tarkkailu on kenttien jatkuvan käytön vuoksi hankalaa.

Antureita on Yhdysvalloissa myös suurilla baseball-areenoilla. Esimerkiksi Wembleyn ja Philadelphia Philliesin stadioneilla ne ohjaavat pelikentän uumenissa sijaitsevia kuivatuslaitteita.

Suomessa Johannes Tiusanen hyödyntää itse antureita omilla pelloillaan kosteustilanteen tarkkailussa. Anturit lähettävät ajantasaista tietoa 20 minuutin välein. Hän yhdistää antureiden tuottaman datan puimurissa olevan satokartoittimen tietoihin, jolloin kunkin kasvukauden olosuhteiden vaikutus satoon tulee näkyviin.

Antureita on testattu myös Helsingin kaupungin kukka-altaiden kastelutarpeen määrittelyssä, ja niitä kokeillaan Sri Lankassa maanvyörymien ennustamisessa. Antureiden avulla etsitään maan lämpötilan, kosteuden ja sähkönjohtavuuden raja-arvot, joiden kohdalla maaperän vakaus aletaan menettää.

 

Lisätietoa tutkimuksesta:

Lisää Soil Scoutista

Johannes Tiusasen väitöskirja Langattoman peltotiedustelijan maanalainen toimintaympäristö ja laitesuunnittelu