INTERVJUU TEADLASEGA | Tartu ülikooli professor Tarmo Tamm: Eesti teadlastel on pakkuda uus lahendus minema visatud riiete taaskasutamiseks

Tartu ülikooli rakendusliku materjaliteaduse verivärske professor Tarmo Tamm rääkis Fortele, et Eesti teadlaste ja ettevõtete koostöös valmivad uued lahendused ei ole keskendunud mitte niivõrd uute sünteetiliste polümeeride loomisele, kuivõrd sellele, kuidas luua juba kasutatud materjalidest vähemalt sama kvaliteediga uusi tooteid ja säästa nii maailma uue süsiniku ringlusse võtmisest.

Alles ülemöödunud nädalal inauguratsiooniloengu pidanud Tarmo Tamm rõhutab pea igal sammul, et alati tuleb kaaluda, kas polümeeride tootmiseks biotoorme kasutamine ikka on alati naftaga võrreldes keskkonda säästvam.

Maapõuest uue süsiniku väljavõtmine ja ringlusse laskmine on küll halb, aga kui taastuva materjali tootmiseks tuleb hävitada vihmametsi ja transportida tooraineid kütust põletades kümnete tuhandete kilomeetrite kaugusele, siis on küsimusi õhus rohkem kui üks.

Tamm räägib, et näiteks ökopuuvillast poekotti peaksime kasutama 2500 korda, et teha tasa selle tootmiseks tekitatud keskkonnajälje erinevus võrreldes tavalise kilekotiga. Nii kaua ei pea vastu aga ükski kott. Arusaamatu on Eestis ka paljude teiste biolagunevate toodete, näiteks ühekordsete toidunõude müük, sest nende lagundamiseks vajalikke lahendusi Eestis pole.

Teeme mõisted selgeks. Millistele tingimustele peaks vastama üks aine, et teda võiks nimetada polümeeriks? Ja siis kõrvale loogiliselt küsimus: mis asi on monomeer?

Teaduses eristatakse väikeseid ja makromolekule ning polümeerid on makromolekulid, mis koosnevad korduvatest lülidest. Nad on üles ehitatud lülidest, mis aeg-ajalt korduvad. Mitte kõik lülid ei pruugi olla ühesugused, need võivad olla näiteks ka vaheldumisi ja igasuguses järjestuses – nagu elusolendite DNA, või valk, kus mingi aja tagant tuleb taas sama klots, näiteks lüsiin või muu aminohape valgus. Need korduvad lülid pärinevad monomeeridest ja nendest monomeeridest üldiselt polümeer kokku pannakse, kas siis looduse poolt või tehnoloogiliselt.

Igast väikesest molekulist polümeeri luua ei saa. Vee molekul on näiteks küll väga väike, aga me neid polümeriseerida ei saa. Nii et vee molekul ei ole monomeer.

Polümeere iseloomustab korduvuse kõrval ka väga suur molekulmass – monomeeride juppe on neis molekulides ikkagi sadu või isegi miljoneid, nagu on nukleotiide DNAs.

Millised polümeeride füüsikalised omadused inimesi kõige enam huvitavad?

Kõige olulisem on see, et polümeeri struktuur pole ideaalselt korrapärane: see on osaliselt kristalliline ja osaliselt amorfne. Tänu sellele esinevad neis omadused, mida me kõik tahame: nad võivad olla järeleandlikud, pehmed, korduvalt ja pöörduvalt deformeeritavad, elastsed, venivad. Me ei saa elastselt venitada ühtegi metalli 6000%, nii et endine kuju pärast taastuks.

Polümeeride struktuur ei ole kunagi päris tihedalt täis pakitud, neis on alati tühja ruumi sees (madalamal temperatuuril vähem, kõrgemalt rohkem), mis võimaldabki elastsust ja plastsust. N-ö kummises olekus on need materjalid paindlikud, järeleandlikud.

Loodus avastas polümeerid märksa varem kui inimene, eks ole?

Tõepoolest, loodus on inimesest selles osas väga pikalt ees ja leidnud, et see on üks hea materjaliklass, mida kasutada. Maailma levinuim polümeer tselluloos on miljoneid aastaid vana. Aga ka kõik, mis puudutab DNAd, RNAd, valkusid – ka need kõik on polümeerid.

Inimeses endas on polümeere teisigi: olgu või meie naha ja liigeste kollageen või juuste ja küünte keratiin.

Aga need looduslikud polümeerid ei olnud inimese arvates piisavalt head ja me langetasime otsuse hakata neid ise sünteesima?

Looduslike polümeeride peamine probleem on see, et neid on keeruline vormida. Puidust on asju valmistatud tuhandeid aastaid, aga kui me tahaksime temast asju kiiresti vormida, siis ega seal muud varianti pole, kui terariist kätte ja hakka aga voolima.

Polümeeride kunstlik loomine ja kasutamine on tänaseks üle saja aasta vana. Sünteetilise kautšuki baasil loodud kummid ehk elastomeerid olid ühed esimesed, mis läksid tootmisse. Plastidest sai nailon 6,6 väga tunnustatuks suurte sõdade vahel – nii naiste sukkade kui ka USA sõjaväe langevarjude tarvis.

Suur murrang tuli 1950.–1960. aastatel, kui õnnestus sünteesida polüetüleeni ja polüpropüleeni spetsiaalse katalüütilise protsessiga, mis tegi need väga hästi korratavaks, masstoodetavaks ja odavaks.

Peamine polümeeride lähteaine on tänapäeval ikkagi nafta?

Maagaas, nafta – süsinik saadakse fossiilsetest allikatest, jah. Need tuleb esmalt siis teha sobivateks monomeerideks.

Üks enesest lugupidav roheliselt mõtlev inimene räägib tänapäeval ikkagi taastuvate allikate kasutamise vajalikkusest. Kas me suudame tänapäeval tekitada märkimisväärsel hulgal polümeere ka muust kui naftast?

Jah. Tehnoloogiliselt ei ole seal mitte mingit probleemi.

Võtame või tavalise tetrapaki, milles hoiame mahla ja piima – selle peal ja sees on keemiliselt inertne, väga hästi vett kannatav ja mittelagunev polüetüleen. Klassikaliselt tuli see maagaasist, täna väidetavalt Brasiilia maisipõldudelt, kust saadav süsinik töödeldakse ümber polüetüleeniks.

Nad ise Rootsis väidavad, et see on hirmus roheline ja keskkonnasäästlik. Ent kui võrrelda maagaasipõhiselt saadud toodet looduslikust toormest pärinevaga (eriti kui see pole mingi jääde, vaid reaalne põllukultuur, millest tehakse näiteks etanooli), kulutame me viimasele kokkuvõttes sageli rohkem naftat, enne kui me pärast bioetanooli kätte saame. Ja ise ütleme, et saime rohelise kütuse või tooraine. No ei ole, see on jama!

Nii et kas nad on päriselt ka saavutanud olukorra, et Brasiilia maisist valmistatud polüetüleeni keskkonnajälg on väiksem kui fossiilsel, selles ma nüüd nii kindel ei ole. Eks tulemus sõltub sellest, mida konkreetses arvutuses arvesse võetakse.

Teine küsimus on muidugi see, kas me võtame uut süsinikku ringlusse. Kui me võtame maa seest – toornaftast või maagaasist – süsiniku välja ja laseme selle ringlusse, siis me tekitame igal juhul keskkonnale probleeme. Selle vastu biotoorme kasutamine tõesti aitab. Aga kas ühe tonni biopolüetüleeni tootmiseks paiskame me kokkuvõttes rohkem või vähem CO₂ atmosfääri, selles ma enam nii kindel ei ole.

Kindel on aga see, et kui me võtame põllukultuuri, et teha sellest polümeeri, siis oleme ainuüksi maakasutusega avaldanud keskkonnale juba üksjagu mõju. Enamasti on see mõju halb – eriti kui see juhtub kuskil troopilistes maades, kus võiks kasvada vihmamets.

Taani keskkonnaagentuuri uuringu järgi peame ökopuuvillast poekotti kasutama 2500 korda, et teha tasa tekitatud keskkonnajalajälje erinevus võrreldes tavalise kilekotiga. Sellise puuvilla kasvatamisele kulub palju rohkem maad ja vett, sest saak on väike.

Kilekoti põhiprobleem on see, et oleme võtnud süsiniku maa seest välja. Kui selle imeväikese massiga kilekott pärast kasutamist põletusahjus ära põletatakse, siis see ei ole nii suur probleem. Me põletame niikuinii kogu aeg kütusena naftat, see gramm naftat käis vahepeal lihtsalt kilekotina ära.

Ent see, et me võtame kogu aeg fossiilselt süsinikku ringlusse juurde, ei ole jätkusuutlik. Õige oleks leida allikas taastuva süsiniku hulgast. Olgu selleks mingisugused jäätmed, mingisugune biomass, vetikad – midagi, mis kasvab ja on ringluses niikuinii ning mille kasutamine ei nõuaks metsa mahavõtmist või põllu äravõtmist inimestelt, kes on näljas.

Kaubanduses on väga populaarseks saanud biolagunevate kilekottide ja muude pakendite kasutamine. Kas teie olete aru saanud, kes ja kus neid kotte lagundab, kui ma olen need auguliseks kasutanud ja prügikonteinerisse viinud?

Prügifirmad ju aeg-ajalt ütlevad, et ärge pange neid kotte biojäätmete kogumiskastidesse – „me peame niikuinii need sealt välja korjama“. Minu teada Eestis korralikku kompostertöötluse süsteemi ei ole. Mõned jaamad ju on, aga mis tingimustega, mida seal tehakse ja mis sinna jõuab, seda infot on raske leida. Teine küsimus on, et isegi kui see süsteem on ja me peame viima need kotid vms pakendid 150 kilomeetri kaugusele, siis igasugune transport tähendab taas heidet.

Polüpiimhape (PLA), mis on maailmas kõige enam toodetud sünteetiline biolagunev polümeer, ei lagune ka metsa või kodusesse kompostihunnikusse visates. Õigemini laguneb, aga see võtab väga kaua aega.

Kui keemiliselt lagunemise protsessi vaadelda, siis mis selle saadus on? On lagunenud kilekott midagi, mis on millekski kasutatav?

Biolagunevad sünteetilised polümeerid on üldiselt kõik polüestrid ja see tähendab, et seal esinevad esterrühmad. Seal on üks hapnikusild ja selle kõrval karbonüülrühm – ehk siis kaksiksidemega hapnikuga seotud süsinik. Loodus tunneb neid ära, on olemas ensüümid, mida tuntakse nimetusega esteraasid, mis suudavad just neid lahti hammustada. See on protsess, mida loodus oskab teha.

Sealt tuleb kõigepealt väiksem ja siis veel väiksem molekul – tekib madalamolekulaarne aine, mille elusorganismid on võimelised lihtsalt nahka pistma, ära kasutama. Mikroorganismid lagundavad seda ja kasutavad selle saaduse oma ehituseks ära – neil on süsinikku vaja, et end ehitada. Raku hingamise käigus nad „põletavad“ seda aeglaselt, nii et süsiniku oksüdeerimine on nende jaoks ka kütuse põletamine.

Kas üht kasutatud plasti oleks teie arvates tänapäeval mõistlik biokonteineris lagundada, Väo elektrijaamas põletada või võiks proovida kuidagi säilitada polümeeridele omaseid kasulikke omadusi ja neid taaskasutada?

Olenevalt olukorrast võivad kõik lahendused mõistlikud olla.

Meil on tõesti üks suur prügipõletusjaam, mis ostab kokku prügi ka Soomest ja kust iganes veel. Kuidas see nüüd keskkonnasõbralik on, et me veame laevatäite viisi mingisugust kraami kusagilt põletuseks... See on nii ja naa küsimus.

See variant on aga selles mõttes hea, et me saame kätte energia ega jäta keskkonda materjale, mis annavad meile mikroplaste, toksilisi aineid ja muud sellist. Miinus on aga see, et keskkonda tekib CO₂ ja me raiskame ära energia, mille oleme sisse pannud keerukamate materjalide tootmisel.

Viimasele pakub lahendust keemiline taaskasutamine. Me lammutame selle polümeeri juppideks sarnaselt loodusega, aga me ei söö ega põleta seda, vaid puhastame ja paneme uuesti kokku. Saame sama struktuuriga polümeeri tagasi ja seda vähemalt sama heade omadustega, kui oli enne.

See, mis praegu tehakse PET pudeliga, on füüsikaline taaskasutus: korjame kokku, peseme puhtaks, purustame ära, sulatame üles ja proovime temast teha T-särki või midagi säärast. Selle käigus omadused halvenevad, pudeliks või kileks ta enam ei kõlba: polümeeri ahelad on läinud lühemaks. Iga tsükliga muutub ta kehvemaks. Kolmandal ringil on ta juba selline rämps, et ainult sellest ei kannata enam T-särki ka teha, saab ainult väheke lisada värskele polümeerile.

EES OOTAB SUUR PROBLEEM: MIDA TEHA ELEKTRITUULIKUTE TIIBADEGA?

Kuivõrd hästi on võimalik plasti keemiliselt töödelda? Paned happesse või leelisesse ja…?

Loodus on selle eest hoolitsenud, et polümeerides oleksid kohad, mida „lahti võtta“. Kui me võtame aga näiteks polüetüleeni, vahet ei ole, kas sünteetilise või bio-, siis seal on ainult süsinik-süsinik-süsinik – pole mitte mingisugust kohta, kust „hammustada“. Selleks et seda lahti võtta, tuleks kasutada väga jõhkraid meetodeid ja tekkivad jupid on suhteliselt kasutuskõlbmatud. Nii et nendel polümeeridel ei ole kahjuks seda lahendust.

Täpselt sama probleem on polüpropüleeni, polüstüreeni ja ka polüvinüülkloriidiga – nendega, mida me kõige rohkem toodame ja mis moodustavad 80% maailma plastitoodangust.

Kui võtame aga pudeliplasti – polüeteentereftalaadi (PET) –, siis see on ester. Nii et seda on põhimõtteliselt võimalik lahti võtta. Loodus seda kahjuks teha ei taha, sest inimene on sinna sisse pannud benseenituumad, aromaatsed tsüklid ja need ensüümidele hästi ei sobi. Aga inimene oleks seda lammutamist suuteline tegema keemilise reaktsiooniga – reaktoris teatud katalüsaatori abil hammustama õiged kohad lahti, puhastama ja uuesti polümeeriks kokku panema, mis ei ole kehvem kui see, mis alguses reaktorisse läks. Teaduskirjanduses räägitakse keemilisest taaskasutusest praegu päris hoolega.

Ent on veel üks väga suur väljakutse. Koht, kus me hakkame peagi nägema tohutuid polümeeride jäätmeid, on komposiitide jäätmed – näiteks tuugenite tiivad. Seal on vaiguks peamiselt epoksiid (EPO), mis on armeeritud klaas- või süsinikkiuga. See komposiit on nii tugev, ei ole kergesti purustatav. EPO on duromeer, nii et ümber sulatada teda ka ei saa.

Teaduskonverentsidel üle maailma võib praegu kohata tohutult ettekandeid sellest, kuidas disainida need vaigud nii, et neid oleks võimalik pärast kasutamist uuesti keemiliselt „lahti võtta“ ja taaskasutada.

Praegu: nende sajameetriste tiibade ainus uuskasutusvõimalus on kaevata nad raudteetammidesse või põletada. Nende tiibade tööiga on seejuures 15–20 aastat maksimum. Nii et varsti on meil kõik kohad täis tiibu, millega meil ei ole midagi mõistlikku peale hakata.

Kui pöörata pilk Eesti teadusasutuste poole, siis millega meie teadlased laborites ja keldrites polümeeride valdkonnas praegu enim tegelevad?

Meie oma tehnoloogiainstituudis on üks grupp, kes töötleb loodusest pärit materjali ümber biosõbralikeks polümeerideks. Samamoodi on tehnikaülikoolis uuritud tselluloosipõhiste kilede tootmist, näiteks et katta nendega joogitopside pindu.

Väga tihti ei tegeletagi mitte uute omadustega polümeeride leiutamisega, vaid olemasolevatele looduslike asenduste otsimisega, näiteks vetikate või kõrreliste maailmast pärinevast toormest. Me oma grupis uurisime sünteetilise geotekstiili asemel pesemata lambavillast ja taimsetest kiududest vildi kasutamist... Loodust on meil ju palju.

Teie märkisite oma inauguratsiooniloengul, et teie lemmikpolümeer on tselluloos.

Nojah, sellega on päris palju tegemist tehtud, viimasel ajal paljuski kujul „puuvill“. Otsime rakendust riidejääkidele, mis on pakendijäätmete kõrval üks paisuv probleem terves maailmas. Riiete puhul on põhiprobleemiks see, et me oleme kokku seganud kiud tselluloosist, elastaanist, polüestrist, nailonist ja millest iganes veel. Nii et on üksjagu tüli, et sealt polüester või tselluloos kätte saada. Õnneks igaks rakenduseks ei olegi vaja, aga kui on, siis on see keemiliselt võimalik.

Kui meil õnnestuks teisesest tselluloosist, mida meil on jäätmete seas palju, teha näiteks soojendus- või pakendamismaterjaliks sobivaid vahtusid, siis oleks see päris hea rakendus. Tselluloos on väga tugev ja tal on väga palju keemilise modifitseerimise võimalusi. Tahame leida võimalikult väikese energia- ja kemikaalikuluga (muu hulgas taaskasutatavate ioonvedelike abil) pehmete tingimustega protsessi. Siin on uurimisruumi päris palju…

Haridus- ja teadusministeerium on otsustanud meie selleteemalist arendusprojekti ka värskelt toetada. Meil on protsessi väljatöötamiseks olemas partnerid nii riiete hulgimüüjate kui ka vahtpolüstüreeni tootvate ettevõtete seast.

Muide, millisest polümeerist on valmistatud see kott, millega te täna õhtul poodi lähete?

Taaskasutatud polüestrist ehk pudelitest.