Vilka parametrar bör man känna till för att kunna beakta miljön i så stor utsträckning som möjligt vid planering av markanvändning? Forskare har utarbetat ett datorprogram som rankar olika alternativ för markanvändning utgående från naturvärden.
 

Markanvändning är en av mänsklighetens stora utmaningar. Antalet människor ökar och naturens tillstånd försämras på hela jordklotet. Hur bör vi fördela utrymmet mellan bebyggelse, trafik, matproduktion och naturen? Var bör vi grunda fabriksområden och var finns naturområden som behöver skyddas? Effekterna av besluten sträcker sig långt in i framtiden och därför är det viktigt att göra effekterna av olika val förståeliga.

Forskningsdirektör Atte Moilanen vid Helsingfors universitet gav sig i kast med att hitta svaren genom att utveckla ett dataprogram som gör det möjligt för planerare av markanvändning att samtidigt beakta naturens många dimensioner då man önskar ranka områden utgående från bevarandet av naturvärden.  

Målet var att skapa en programvara som ger information om vilka områden man har störst nytta av att skydda och vårda för att trygga olika arter, livsmiljöer och ekosystemtjänster. Vilka skogsområden behöver exempelvis skyddas för att skydda alla arter i Finlands skogar eller för att skydda Finlands submarina natur? 

Detta var resultatet: Det är möjligt att beakta ekologin vid planeringen av markanvändning 

Den första versionen av Zonation-programmet utvecklat av Moilanens forskningsgrupp lanserades 2005. Forskningen finansierades av Finlands Akademi. Senare vidareutveckling har även finansierats av Europeiska unionen (ERC) och miljöministeriet. 

Slutresultatet av utvecklingsarbetet var en programvara som kan analysera exempelvis markområden i Finland i rutor med storleken en hektar eller markområdena i hela världen i rutor med storleken en kvadratkilometer enligt 22 000 biodiversitetsdrag. 

Biodiversitetsdrag är delar av naturens mångfald, t.ex. djurarter, organismsamhällen och livsmiljöer, ekosystemtjänster och gener. Det vanligaste sättet att mäta mångfalden är att mäta artrikedomen, dvs. antalet organismer i ett visst område. Zonation-programvaran kan dock göra en prioritering där alla drag samtidigt beaktas i alla områden. 

Analyser skapade av programvaran kan användas för bland annat följande syften: 

• planering av nätverk av skyddsområden och deras expansion 

• förebyggande eller minskning av ekologisk skada till följd av byggverksamhet

• stöd för planläggning

• rekonstruktion av livsmiljöer eller inriktning av naturvård 

• allokering av ekologisk kompensation. Ekologisk kompensation innebär ersättning för skador som förorsakas miljön så att försvagade livsmiljöer förbättras annanstans.

Zonation kan även beakta kostnaderna och de alternativa kostnaderna för naturvård. Tack vare detta bidrar programmet även till en så effektiv allokering som möjligt av de tillgängliga resurserna för tryggande av mångfald.

Effekter av forskningen: Zonation används runt om i världen

Zonation har tagits i bruk i omfattande utsträckning både i Finland och globalt. Forststyrelsen var först ut med att ta i bruk programvaran 2008, då för att planera utvidgningen av statens skogsskyddsnätverk. Zonation används även inom METSO-programmet som främjar frivilligt skydd av skogar i södra Finland. 

Utöver Finlands miljöcentral och Forststyrelsen har även landskapsförbunden använt Zonation. Programmet har använts bland annat vid beredningen av stegvisa landskapsplaner och vid prioriteringen av grönstrukturer i Nyland och torvmossar i Mellersta Finland. År 2018–2019 pågår även en bedömning av effektiviteten hos skyddsnätverket för havsområdena i Finland och identifiering av utvecklingsobjekt. 

Zonation har laddats ner för användning i största delen av världens länder och i Nya Zeeland har samtliga landskap snart låtit göra markanvändningsplaner som utgår från Zonation-analyser..

Efter 2015 har tre uppdaterade versioner av programvaran lanserats och en fjärde planeras med stöd av finansiering som beviljades av Konestiftelsen 2018.

År 2018 beviljades Moilanen det ansedda erkännandet SCB Europe Distinguished Service Award in Memory of Ilkka Hanski av den internationella föreningen för främjande av naturvård, Society for Conservation Biology (SCB). Motiveringen var Moilanens förtjänster inom tillämpningen av metoder inom ekologi, matematik och datavetenskap vid forskning inom naturvård och hållbar miljövård.
 

Mer information om forskningen:

Läs mer om Zonation-programvaran
Atte Moilanens publikationer, projekt och aktiviteter

Efter kärnkraftsolyckan i Fukushima i Japan pågår en jättelik vattenreningsoperation. Vid arbetet används en metod som utvecklats vid Helsingfors universitet och som baserar sig på selektivt jonbyte. Med hjälp av nytt material försnabbas reningen och mängden fast radioaktivt avfall som kräver slutförvaring minskar.

I Fukushima i Japan inträffade en kärnkraftsolycka våren 2011. Trots att radioaktivt vatten har renats i området i flera år fortsätter arbetet. Hittills har de japanska myndigheterna inte tillåtit att vattnet släpps ut i havet, eftersom man inte har lyckats rena det helt och hållet. I kärnkraftverksområdet har enorma behållare byggts där det radioaktiva eller mindre radioaktiva farliga vattnet förvaras.

Det uppkommer 400 kubikmeter radioaktivt vatten varje dag, eftersom man inte helt har lyckats förhindra att vatten från jordmånen sipprar in i den söndriga kärnreaktorn. Då vattnet strömmar genom reaktorn kontamineras det omedelbart med radionuklider.

Kraftverkets ägare Tokio Electric Power Company (Tepco) bär ansvaret för reningsoperationen, som i praktiken utförs av flera olika företag med olika metoder.

Reningen sker genom att pumpa det radioaktiva vattnet genom reningsutrustningens 14 kolonner. I varje kolonn avlägsnas ett av de radioaktiva ämnena. De radioaktiva ämnena blir kvar i det fasta ämnet, som kräver slutförvaring. Detta är målet, eftersom ett fast radioaktivt ämne är lättare och tryggare att hantera och förvara än radioaktivt vatten.

Materialet som utvecklats vid Helsingfors universitet, dvs. granulerat natriumtitanat, ansvarar för avlägsnandet av de viktigaste fissionsprodukterna i Fukushima. Cesium och strontium kan avlägsnas nästan helt, till 99,9 procent.

Forskare Risto Koivulas Ion exchange for nuclear waste treatment and for recycling-forskningsgrupp utvecklar metoder för avlägsnande som baserar sig på jonbyte. Forskare har testat hur elektrospinning påverkar jonbytesegenskaperna hos natriumtitanat, dvs. om det är möjligt att effektivisera vattenreningen.

Detta var resultatet: Materialets reaktionshastighet ökar

Vid forskningen genomförd av gruppen under ledning av Koivula framkom att elektrospunnet natriumtitanat försnabbar rening av radioaktivt vatten som baserar sig på selektivt jonbyte. Fördelarna med elektrospunnet material hänger ihop med dess kinetik, d.v.s. dess reaktionshastighet, som gör det möjligt att behandla mer vatten med samma antal bytare. Dessutom kan det spunna fibret pressas samman till liten volym för slutförvaring.

Elektrospinningsutrustningen har utvecklats och tillverkats vid Helsingfors universitet under ledning av Mikko Ritala vid spetsforskningsenheten för atomlagerdeponering ALD. Forskarna provade framgångsrikt denna ganska simpla metod för att förvandla natriumtitanat till fibrer.

Koivulas grupp studerade jonbytesegenskaperna hos dessa fibrer och konstaterade att de fungerade på samma vis som kommersiellt producerade fibrer. Det elektrospunna materialet kunde alltså marknadsföras för objekt där granulerat material för tillfället används.

Effekter av forskningen: Mindre behållare och minskad slutförvaring

Tills vidare har elektrospinning och material skapat med hjälp av detta testats i laboratorieskala vid enheten för kemi vid Helsingfors universitet. Det nya materialet verkar fungera bättre än det natriumtitanat som för tillfället finns på marknaden, så nästa fas är att börja tillverka och marknadsföra materialet i industriell skala.

Då spillvattnet förs genom en jonbytare som installerats i cylindrar förvandlas det radioaktiva strontiumet till vanligt natrium, som finns bland annat i koksalt. Då jonbyteskapaciteten uppnås måste ämnet som används som filter bytas ut. Detta ger upphov till fast radioaktivt avfall.

Eftersom det behövs mindre elektrospunnet material för reningen av vattnet, kommer även det radioaktiva avfallet som kräver slutförvaring att ta upp mindre utrymme.
 

Mer information om forskningen:

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., Separation and Purification Reviews 2019

Ion exchange for nuclear waste treatment and for recycling-forskningsgruppen

Risto Koivulas undersökningar, projekt och aktiviteter

Mikko Ritalas undersökningar, projekt och aktiviteter

 

Jordmånens egenskaper, t.ex. temperatur och fukt, är av avgörande betydelse för växtligheten. Forskning vid Helsingfors universitet har skapat en grund för trådlösa sensorer som grävs ner i marken och med hjälp av vilka det är möjligt att på webben följa jordmånens tillstånd exempelvis på åkrar och golfplaner.

 

Jordmånen, dess temperatur och fukthalt påverkar växtligheten. Man kan ta prover av jorden för att utreda exempelvis jordarten och näringsnivån. Det är möjligt att lokalt kontrollera jordens fukthalt genom att gräva gropar eller använda mätare som kan avläsas vid jordytan. Utgående från förverkligade regnmängder kan man även beräkna utvecklingen av jordmånens fukthalt.

Bedömningar som görs utanpå jordytan är dock utmanande på flera sätt. Olika slags jordlager transporterar vatten på olika sätt, vilket innebär att fukthalten kan variera stort även om man undersöker ställen som ligger precis bredvid varandra. Dessutom har många växter sina rötter djupt, vilket innebär att undersökning av ytlagret inte ger tillförlitlig information om situationen vid rotsystemet. Bedömningarna förutsätter att man rör sig på området som odlas, vilket är tidskrävande. Informationen kan inte heller samlas automatiskt.

Johannes Tiusanen ville i början av 2000-talet i samband med sina studier i lantbruksteknologi utreda möjligheterna att skapa ett system som skulle erbjuda sätt att trådlöst få information från under jordytan och genom detta sköta jorden på ett så ändamålsenligt sätt som möjligt. I sin doktorsavhandling fördjupade han sig i fysik, matematik och radioteknik.

Undersökningen är banbrytande grundforskning, eftersom exempelvis förmedlingen av radiovågor i marken inte har undersökts omfattande tidigare.

Detta framkom: trådlösa sensorer kan kontinuerligt producera information inifrån jordmånen

I undersökningen löstes flera tekniska problem. Då jordmånens fukthalt förändras, förändras även dess elektriska ledningsförmåga. Detta innebär att en så liten bredbandsantenn som möjligt behövs för att skicka radiosignalen i olika fuktförhållanden.

Utöver detta kom Johannes Tiusanen fram till hur signalen kan förmedlas från sensorn till antennen. Alla dessa resultat ledde till en prototyp för sensorn och slutligen till grundandet av företaget Soil Scout.

Effekterna av undersökningen: det är möjligt att spara vatten och minska mängden arbete på golfplaner samt kombinera skördenivån och jordmånens situation vid åkerodling

Golfplaner har en lång tradition av att kontrollera jordmånen och dess förhållanden och i USA har de varit bland de första att ta i bruk sensorerna. Sensorerna har möjliggjort kontinuerlig kontroll av fukthalten även på golfplanernas fairwayer, där manuell observation är svårt på grund av att planerna är i ständig användning.

I USA finns det av sensorerna även på stora basebollarenor. Exempelvis på Wembley och Philadelphia Phillies stadion styr de torkutrustningen i spelplanen.

I Finland använder Johannes Tiusanen själv sensorerna på sina egna åkrar för att kontrollera fukthalten. Sensorerna skickar uppdaterad information med 20 minuters mellanrum. Han kombinerar data producerad av sensorerna med uppgifterna i skördekarteringsutrustningen i skördetröskan och ser hur förhållandena under olika växtperioder påverkar skörden.

Sensorerna har även testats för att fastställa bevattningsbehovet för Helsingfors stads blomsterrabatter och de testas i Sri Lanka för att förutsäga jordskred. Med hjälp av sensorerna letar man efter gränsvärden för jordens temperatur, fukt och elektriska ledningsförmåga då jordmånen börjar förlora sin stabilitet.

 

Mer information om forskningen:

Mer om Soil Scout

Johannes Tiusanens undersökningar, projekt och aktiviteter

Johannes Tiusanens avhandling om trådlösa sensorer