Hampulla maaperään hiiltä, ravinteita ja rakennetta
Metsien kyky sitoa hiiltä ja niiden toimiminen hiilinieluina ovat olleet esillä poikkeuksellisella intensiteetillä. Metsien lisäksi maaperän hiilivaroihin vaikuttaa myös muu maankäyttö ja etenkin maatalous, joka voi toimia hiiltä maaperään sitovana elinkeinona tai pahimmillaan päästölähteenä.
Hiiltä voidaan sitoa maaperään myös peltokasvien avulla. Tässä nopeakasvuinen ja kookas kuituhamppu on epäilemättä yksi tehokkaimmista vaihtoehdoista. Hampun tuhansien vuosien taakse ulottuva historia oli vähällä päättyä halvan puuvillan ja keinokuitujen keksimisen seurauksena. Nyt kuituhampun viljelypinta-ala lisääntyy vuosittain kymmenillä tuhansilla hehtaareilla ja nopeinta kasvu on Yhdysvalloissa ja Kiinassa. Euroopan Ympäristökeskuksen selvityksen mukaan kuituhamppu on poikkeuksellisen ekologinen kasvi, joten sen käyttöä hiilinieluna kannattaa selvittää.
Kuituhamppu on peltojen paras hiilensitoja
Kuituhampun koostumuksesta noin 70 % on selluloosaa ja 22 % hemiselluloosaa, joista kummastakin hieman alle puolet on hiiltä. Keskimäärin yksi kilo kuituhamppua sitoo 1,3 - 1,6 kiloa hiilidioksidia. Suomessa hehtaarilta saadaan noin 7 tonnin kuiva-ainesatoja, johon on sitoutunut noin 10 tonnia hiilidioksidia. Parhailla lohkoilla voidaan yltää 12 tonnin kuiva-ainesatoihin. 10 tonniin ei sisälly hampun valtava vihermassa, joka tippuu syksyllä peltoon lisäten arvokasta eloperäistä humusta. Hampun lehdissä on runsaasti typpeä, noin 40 - 50 %. Suurin osa kasvin käyttämästä typestä palautuu lehtien mukana peltoon, arvioiden mukaan noin 70 %. Kuivan hamppukorren C/N- eli hiili-typpisuhde vaihtelee 40:1 ja 56:1 välillä, joten pellolta korjattava korsimassa ei juuri sisällä ravinteita, jotka jäävät seuraavien viljelykasvien käyttöön. Tutkimusten mukaan yksi vuosi kuituhampun viljelyä parantaa seuraavaa viljasatoa 10 - 30 %.
Suomessa kuituhamppu korjataan vasta keväällä. Talvipeitteisenä kasvina se estää ravinnevalumia ja eroosiota. Aurinkoisina kesäpäivinä hampun suurikokoiset lehdet varjostavat maaperää niin tehokkaasti, ettei rikkakasveilla ole mahdollisuutta selvitä. Kuituhampun viljelyssä ei käytetä, eikä tarvita, torjunta-aineita. Kuituhampun lehtien varjossa maaperä pysyy kosteampana ja se on otollisempi ympäristö hiiltä sitoville mikrobeille.
Kuituhampulla on syvä paalujuuri, joka möyhentää ja ilmavoittaa maaperän tiivistymiä. Kuituhampun juuristo tunkeutuu tutkitusti syvemmälle kuin minkään muun viljelykasvin juuristo, parhaimmillaan kolmen metrin syvyyteen, joskin juuriston tyypillinen syvyys vaihtelee 1,3 ja 2 metrin välillä. Mittava juuristo nostaa ravinteita viljelykierrossa seuraavina oleville kasveille. Nämä ovat ravinteita, jotka ovat muuten vaarassa valua pohjaveteen.
Hiilensidonnan kannalta merkittävää on juuriston massa. Kuituhampun juuristoa tulee verrata esimerkiksi vehnään, jonka juuristo paino tutkimuksesta riippuen on vaihdellut 0,9 ja 1,7 tonnin välillä hehtaarilla. EU:n rahoittamassa tutkimuksessa kuituhampun juuriston massaksi mitattiin eri vuosina 2,41 ja 3,21 tonnia. Ero vehnään on huomattava, puhumattakaan muista viljelykasveista, kuten sokerijuurikkaasta.
Hampun kokonaishiilensidontakyky on vähintään 12 tonnia hehtaarilla. Viljelymenetelmien ja lajikkeiden jatkuvasti kehittyessä, kasvaa myös hampun hiilensidontakyky. Vertailun vuoksi Kainuun korkeudella mäntymetsä sitoo vuosittain noin 4 tonnia hiilidioksidia. Etelä-Suomessa hiiltä sitoutuu puustoon enemmän, noin 8 tonnia hehtaarilla. Hampun viljelyyn liittyvät tuotantopanokset tasoittavat tilannetta, mutta eivät ratkaisevasti. Esimerkiksi biokaasulaitosten mädätteet soveltuvat kuituhampun lannoitukseen erinomaisesti, mikä pienentää lannoituksen aiheuttamaa hiilijalanjälkeä. Kuituhampun korjuuketju on myös yksinkertainen ja tehokas; ainoiksi toimenpiteiksi jäävät kevyt muokkaus, kylvö ja kuivan korsimassan paalaus keväällä.
Pitkäikäiset tuotteet hiilinieluina
Hiilensidontakykyä arvioitaessa on tärkeää tietää mihin jalostettu biomassa käytetään. Esimerkiksi puuta käytetään lisääntyvissä määrin bioenergiana, mikä käytännössä tarkoittaa puun polttamista, jolloin siihen sitoutunut hiilidioksidi vapautuu ilmakehään heti.
Miten on hampputuotteiden laita? Matalan jalostusarvon tuote on esimerkiksi hevosten kuivike, jolla korvataan ilmastolle ja vesistöille haitallista turvetta. Hamppukuivikkeella on Suomessa jo useita jälleenmyyjiä, mutta kotimainen tuotanto on ollut vaikeuksissa. Uskoa tulevaan kuitenkin riittää. Kuivikkeen lisäksi hampulla korvataan turvetta puutarhatuotteissa, kuten erilaisissa kasvualustoissa. Vesiviljelyyn soveltuva hamppukuitubriketti on kehitteillä ja hamppukuitumattoa käytetään kasvualustana mm. salaateille ja krasseille.
Yhden hevosen kuivittaminen turpeella vuoden ajan aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä keskimäärin 3600 kiloa, mikä vastaa 28 000 kilometrin ajamista 129 grammaa kilometrillä päästävällä Toyota Corollalla. Suomalainen ajaa autolla keskimäärin 16 000 kilometriä vuodessa, joten 20 hevosen tallin kuivittaminen turpeella vastaa 35 auton hiilidioksidipäästöjä vuodessa.
Hamppukuivike kiertää useimmiten lannan mukana takaisin peltoon, jossa sillä on merkittävä maanparannusvaikutus. Hamppupäistäreen rakenne lisää maaperän vedenpidätyskykyä. Se luovuttaa kosteutta kasveille kuivina aikoina ja sitoo sitä talteen sateilla siten, etteivät kasvit kärsi liiasta kosteudesta. Hampun soluseinämärakenne ei hajoa kun hamppu maatuu tai kompostoituu, joten sen hyvät ominaisuudet kestävät pitkään. Hamppukompostin levitys pellolle paitsi lisää maaperän hiiltä välittömästi, se edistää myös pellon pitkäaikaista kykyä tuottaa parempia satoja ja siten kykyä sitoa hiiltä.
Kuivikkeen lisäksi kuituhampusta on Suomessa valmistettu eristeitä, joihin ei ole lisätty sidos-, eikä palonestoaineita. Eristekuidun menekki on kasvussa, kun ekologinen rakentaminen yleistyy Suomessa vauhdilla. Eristeissä hampun sitoma hiili säilyy vähintäänkin kymmeniä vuosia. Hamppupäistärettä puolestaan käytetään hamppukalkkikomposiitin (ns. hamppubetoni) valmistamiseen. Hamppukalkkikomposiitti on ekologinen ja hengittävä vaihtoehto maailman eniten valmistetulle ainekselle, eli betonille. Viime vuosina Eurooppaan on noussut satoja hamppubetonista valmistettuja taloja, viimeisimpänä myös kerrostalokohteita. Hamppubetoni ei puun tapaan pala ja mikä mielenkiintoisinta, se sitoo hiilidioksidia ilmasta vuosia valmistumisen jälkeen.
Biohiiltä- ja komposiitteja
Uudempia käyttökohteita kuituhampulle ovat biokomposiitit. Vuosittainen kasvu on noin 10 %, joka syntyy pääasiassa autoteollisuuden lisääntyneestä luonnonkuitutarpeesta. Hamppukuituamme on testattu VTT:llä mm. 3D-tulostuksessa ja ensimmäiset kaupalliset ulkomaiset versiot hamppufilamenteista ovat ilmaantuneet markkinoille kuluneen vuoden aikana. Hamppukuitua voidaan pelletöidä käytettäväksi ruiskuvalulaitteistoissa, mutta tähän asti ongelmana on ollut tällaisen kompaundin korkea hinta. Suomessa kuidun valmistaminen on kustannustehokkaampaa kuin muualla, joten toivomme näkevämme kotimaista hamppukuitua suomalaisissa komposiiteissa.
Hamppukuitu tarjoaa aivan erilaisia ominaisuuksia ja mahdollisuuksia biokomposiitteihin kuin lyhyet puukuidut. Hamppukuidulla lujitetuista tuotteista voidaan valmistaa entistä ohuempia ja kestävämpiä. Tärkeintä on kuitenkin korvata fossiilisista raaka-aineista valmistettuja muoveja, joita löytyy planeettamme joka kolkasta, valitettavasti myös vesistöistä, kuten suomalaisista järvistä. Muovia korvaavissa biokomposiiteissa onkin ehkä hamppukuidun suurin potentiaali vähentää ilmakehään kohdistuvia hiilidioksidipäästöjä. Siinä missä puukuidut ovat komposiiteissa usein täytemassaa, tuo hamppukuitu tuotteeseen ominaisuuksia, joita korvattavalla muovilla ei ollut.
Hampusta voidaan myös pyrolysoida biohiiltä, jonka ominaisuudet ovat yllättäneet tutkijat. Hamppukuidulla voidaan sellaisenaan poistaa raskasmetalleja esimerkiksi jätevesistä, mutta pyrolysoituna biohiileksi ominaisuudet nousevat toiseen luokkaan. Biohiili on hapettomassa pyrolyysissä eli kuivatislauksessa tuotettua hiiltä, jossa biomassan luonnollinen huokosrakenne on säilynyt. Suomessa biohiiltä valmistaa vasta pari yritystä ja raaka-aineena käytetään lähinnä puuta ja turvetta. Esimerkiksi pajusta saadun biohiilen pinta-ala on 200 m2/g ja tavoite on 700–800 m2/g. Mitä enemmän huokosia on, sitä enemmän on myös aktiivista, toiminnallista pinta-alaa. Nopeakasvuisesta kuituhampusta saadaan kuitenkin hiiltä, jonka pinta-alaksi kiinalaiset tutkijat mittasivat uskomattomat 2388 m2/g.
Bulkkibiomassan tuottamisen sijaan tutkijoita on kiinnostanut havainto, jonka mukaan hamppupohjaisesta hiilestä voidaan valmistaa tehokkaita rakenteita sähkön varaamiseen. Hamppukasvin kuidut paljastuivat jo vuonna 2014 paremmaksi nanokalvojen raaka-aineeksi kuin grafeeni. Keksinnön avulla voidaan kehittää superkondensaattori, huomattavan tehokas akku, joka puolestaan edistäisi muun muassa sähköautojen kehitystä, joiden rakenteissa hamppukuitu alkaa olla tyypillistä. Hamppu näyttää tutkimuksen mukaan olevan paitsi grafeenia edullisempaa myös energiatehokkaampaa. Hamppuun perustuva akku oli energiatiheydeltään 12 kW/h, eli kaksin- tai kolminkertainen kaupallisiin tuotteisiin verrattuna. Se toimi myös eri lämpötiloissa, pakkasasteista lähes sataan asteeseen saakka.
Korealaiset ja yhdysvaltalaiset tutkijat laittoivat kuitenkin tänä vuonna kanadalaistutkijoita paremmaksi kehittämällä hampusta ja mangaanioksidi-nanojohdoista rakenteen, josta saadaan sähköenergiaa 14,3 kW/kg. Samat tutkijat havaitsivat rakenteen toimivan erinomaisena katalyyttina PET-muovin kierrättämisessä, minkä odotetaan tuovan huomattavia kustannussäästöjä muoveja kierrättävälle teollisuudelle.
Marginaalista valtavirtaan
Hampun viljelypinta-alat ovat kääntyneet viimeisten kahden vuoden aikana voimakkaaseen kasvuun niin Euroopassa, Pohjois-Amerikassa kuin Aasiassa. Tällä hetkellä suurin viljelypinta-ala löytyy Kiinasta, joka pitää hallussaan myös suurimman määrän lopputuotteisiin ja prosessointiin liittyviä patentteja. Kiinassa on asetettu viralliseksi tavoitteeksi yli miljoona hehtaaria kuituhamppua, jolla korvataan pääasiassa maaperän monin paikoin tuhonnutta puuvillan viljelyä. Määrät ovat nousemassa niin korkeiksi, että niillä alkaa olla aitoa merkitystä ilmastonmuutoksen hillitsijänä.
Kuituhampun uuden tulemisen esteenä on kustannustehokkaan jalostusteknologian puute, jonka olemme ratkaisseet käyttämällä hyväksi pohjoista ilmastoamme: keväällä korjatun kuituhampun prosessointi valmiiksi tuotteiksi on mekaanisesti huomattavasti kevyempää ja energiatehokkaampaa kuin syksyllä korjatun kuituhampun jalostaminen. Kehittämämme laitteiston valmistamisen ja käytön aiheuttama hiilijalanjälki on huomattavasti pienempi kuin perinteisten kuidutuslinjaston. Kuituhampun kevätkorjuu on syyskorjuuta ekologisempaa ja sitä voidaan kokeidemme perusteella harjoittaa Pohjoismaiden lisäksi Virossa, Venäjällä, Kanadassa ja tietyillä alueilla Yhdysvalloissa. Olemme mukana sitomassa hiiltä ja ratkaisemassa teknologisia pullonkauloja, joiden kanssa painitaan tällä hetkellä ympäri maailmaa.