Ari-Pekka Honkanen, nuori röntgenfyysikko

Teksti: Erika Palmerio

Kivikirveistä pronssimiekkoihin, teräksisiin höyrykoneisiin ja piipohjaisiin mikrosiruihin, materiaalit ja taito muokata niitä ovat siivittäneet ihmisen taivalta halki historian. Materiaalien merkitystä ihmiskunnalle on vaikea vähätellä, eikä vähiten siksi, että myös me itse koostumme samoista rakennuspalikoista. Materiaalien sielunelämään voi kurkistaa useilla eri tavoilla, kuten esimerkiksi röntgensäteiden avulla. Röntgenfotonien aallonpituus on samaa suuruusluokkaa kuin kemiallisten sidosten pituudet ja niiden energiat vastaavat atomien kuorielektronien viritysenergioita. Nämä ominaisuudet tekevät röntgensäteilystä monipuolisen välineen materiaalitutkimuksen työkalupakissa.

Nuori fyysikko Ari-Pekka Honkanen tutkii materiaaleja röntgensäteiden avulla. Hän työskentelee väitöskirjatutkijana Helsingin yliopiston röntgenfysiikan osastolla. Ari-Pekka oli jo lapsena kiinnostunut tekniikasta, matematiikasta, ja yleisesti luonnontieteistä. Hyvin pitkään on ollut tiedossa, että hän halusi tehdä aikuisena jotain tieteen liittyvä, mutta kokeelliseen fysiikkaan kiinnostus tuli sitten vasta lukiossa hänen fysiikan opettajan kautta. Se, mitä Ari-Pekka tekee nyt, ei ole kuitenkaan vain kokeellista tutkimusta, koska hänen laboratoriossaan tutkitaan luontoa käyttämällä myös teoreettisia ja laskennallisia työkaluja. “Se on hyvä juttu – sanoo Ari-Pekka – koska tietokoneetkin on aina kiinnostunut minua”.

Ari-Pekka Honkanen on materiaalifysiikan väitöskirjatutkija Helsingin yliopistossa. Hänen laboratoriotakillaan on dosimetri, jolla mitataan henkilön saamaa ionisoivan säteilyn annosta. (Kuva: Erika Palmerio)

Ari-Pekka aloitti Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen opiskelijana syksyllä 2009. Hänen kandidaatin tutkielmansa tehtiin Aalto-yliopistolla Complex Systems and Materials ryhmässä, kun hän oli siellä kesäharjoittelijana. Aiheena oli paperia venyttäessä syntyvän akustisen emission mittaaminen. Ari-Pekka rakensi koejärjestelyyn ultraäänianturisysteemin, joka kuuntelee paperista kuuluvia räsähdyksiä. Kokeessa on tärkeää relevanssia paperiteknologian kannalta, sillä jos paperi repeää esimerkiksi linjalla, niin sen vaihtaminen on iso ja kallis urakka. “Tämä oli hyvin soveltavaa materiaalitutkimusta”, kertoo Ari-Pekka.

Röntgenfysiikan tutkimusta alkoi Ari-Pekka kesäharjoittelijana ESRF-synkrotronilla Ranskan Grenoblessa, jonka jälkeen hän on jatkanut Helsingin yliopiston röntgenfysiikan osastolla. Hänen gradututkielmansa on jo Suomen Fyysikkoseuralle tuttu, Ari-Pekka kirjoitti artikkelin pro-gradustaan Arkhimedes-lehteen (linkki). Ari-Pekasta tuli filosofian maisteri vuonna 2015 ja hän voitti vuonna 2016   Suomen Fyysikkoseuran nuoren fyysikon palkinnon pro gradu –työllään “Pallotaivutettujen kideanalysaattorien röntgendiffraktio-ominaisuudet”.

Maisteritutkinnon jälkeen Ari-Pekka suoritti siviilipalveluksensa Helsingin yliopiston kemian laitoksella epäorgaanisen kemian laboratoriossa. Hän piti huolta mittalaitteiden kehittämisestä ja ylläpidosta ja hän tekee vielä yhteystyötä kemian laitoksen kanssa nykyään väitöskirjaprojektinsa parissa. Projektin tarkoitus on soveltaa synkrotronisäteilyteknikoita atomikerroskasvatuksen (engl. atomic layer deposition, ALD) tutkimiseen. Ari-Pekka työskentelee väitöskirjatutkijana sekä tietokoneella että laboratoriossa. Helsingin yliopiston röntgenlaboratoriossa on hänen pääosin itse rakentamansa kideoptiikkaan perustuva röntgenabsorptiospektrometri, jolla atomien absorptiokertoimia mittaamalla pääsee käsiksi mm. niiden hapetuslukuun ja kemiallisten sidosten pituuksiin.

Ari-Pekka Honkanen ja hänen rakentamansa röntgenabsorptiospektrometri, jolla voidaan tutkia kuinka alkuaineet absorboivat säteilyä erilaisissa yhdisteissä. (Kuva: Erika Palmerio)

Ari-Pekka pitää soveltavasta tutkimuksesta eniten ja suurin osa projekteista, jossa hän on ollut mukana, liittyy erinäköisiin energiateknisiin ratkaisuihin. Esimerkiksi, hän on tutkinut paljon akkumateriaaleja ja osallistuu parhaillaan synteesikokeeseen, jossa tuotetaan katalyyttisesti hiilimonoksidista ja vedystä pitkäketjuisia hiilivetyjä, joilla on käyttöä esimerkiksi polttoaineena. “Energian tuottamiseen liittyy todella paljon ongelmia – sanoo Ari-Pekka – ja energiaa tarvitaan tulevaisuudessa aina vain enemmän ja enemmän. Se täytyy pystyä tuottamaan luontoa säästäen”. Hän on röntgenfyysikko, mutta häntä kiinnostaa myös energiatekniikka ja biologiset systeemit, joista jälkimmäisten tutkiminen röntgensäteilyä käyttäen on erityisen haasteellista.

Together in the Physical Society

The Finnish Physical Society was established in 1947 and is celebrating its 70 years. The period brought big changes to physics and physicists in Finland. The Physical Society has responded well, via its meetings and journal, making use of social media, Pecha Kucha and this blog.

I joined the Society as a graduate student in the late 1960’s, served on the Board as President in the 1990’s and was recently honored as a Fellow. With strong positive feelings for the Society I am contributing some views concerning the present and future challenges. There are surely other opinions and suggestions – this post will be successful insofar as it stimulates comments and discussion here, at coffee tables and elsewhere.

Did you notice that I am writing in English? Those of you for whom Finnish isn’t second nature probably did. We are fortunate to have many physicists in Finland who came from elsewhere for a short or extended time. They are an essential resource for the physics community and for the Society. We should reach out to all physicists, in a language that all understand. I am happy to note that the Society is indeed moving in this direction.

Using English on the home page, in meetings and communications does not subtract from the task mentioned in the statutes: “kehittää suomenkielistä fysiikan sanastoa”. The Finnish physics vocabulary is best maintained through popular lectures and articles which the Society supports, e.g., in its journal Arkhimedes. In personal communications the language is up to the author.

What is special about the Physical Society – compared to other physics organisations (University departments, research institutes, industry, academies…)? The Society covers all subfields, ranges from fundamental to applied research and technical development, and includes education at every level. It relies on the volunteer activities of its members, young and old, with varied interests and expertise. The Society brings cohesiveness to our community, counteracting tendencies toward specialization and insulation. We might not go abroad to learn about topics outside our own expertise, but can enjoy them at the Physics Days, together with old and new friends.

The annual Physics Days is a flagship activity of the Society that we can be justly proud of. The program reflects recent progress in basic and applied research, and the participants represent Finnish physics in a broad sense. This successful concept has gradually evolved, with the talks now mostly given in English. Meetings on specific topics and increased travel give young physicists also other opportunities to present their work. The mission of the Physics Days as an interdisciplinary event for Finnish physicists is correspondingly growing. A format with general review talks in the parallel sessions was recently tried, in order to attract participants to sessions outside their own speciality. Alternatively, the meeting could be focussed more on plenary sessions. The format of the Physics Days should be continuously developed to optimally serve the evolving needs of physicists.

Opening ceremony of the 49th Annual Meeting of the Finnish Physical Society, organized at Helsinki Congress Paasitorni in March 2015. The conference was held under the theme “Exploration and Discoveries”.

Another flagship is the quarterly member journal Arkhimedes, published jointly with the Physical Society in Finland (sic) and the Finnish Mathematical Society. There were heated debates in the 1980’s concerning the scientifically inclined Arkhimedes vs. Fysiikka Tänään, a new journal stressing topical information. After some years of parallel publication the two were merged into the present-day Arkhimedes, which has an extended news section and articles that everyone (in principle) can follow. I have two suggestions for Arkhimedes:

  1. Make past, current and future issues available to members on the web
  2. Introduce a section with profiles of Finnish physicists. Base them on brief interviews conducted in a standardized format by young physicists.

What attracts young physicists to the Society? Academic studies and careers are increasingly formalized. Fast progress, funding success, publications and citations are rewarded. The fascination for science which motivates high school students to study physics at university level is precious and needs to be stimulated. As a graduate student I enjoyed the weekly extracts of science news published by CERN. Today brief descriptions of new discoveries with links to the original publications can be found in many places. The Society could organize volunteers to translate news items into Finnish and make them known to students, e.g., via social media. Such an effort might be appreciated by physics teachers at schools as well.

The Finnish Physical Society is networked with sister societies in the Nordic and Baltic region, in Europe and globally. These contacts are valuable for physicists in the beginning of their careers. Awareness of physics activities in our region would be furthered by occasionally sharing articles with Nordic and Baltic society journals similar to Arkhimedes. Links to the sister journals could be posted on the home page – part of their material is open source already now.

EPS Young Minds information booth at the night flea market Konstanz/Kreuzlingen. The organization gathers together young scientists to develop scientific, network and outreach activities. Finland has its own local section Finnish Young Minds under the Finnish Physical Society. (Image: http://www.epsyoungminds.org)

I was in Executive Committee of the European Physical Society in the 2000’s, experiencing the rewards and challenges of European collaboration. EPS is an umbrella organisation to which all national society members belong, and which thus coordinates and represents physics in Europe. At the same time, EPS is a physical society in its own right, with individual members and a broad range of activities conducted in divisions and groups. These activities are open to all of us and have expanded greatly since EPS was founded in 1968. The member journal “Europhysics News” has a circulation of 25000 copies, with open access to the pdf version. EPS also publishes a web-based monthly news forum e-EPS, as well as regular scientific journals (EPL and European Journal of Physics).

Physics related activities are organised differently in the various European countries. The physical societies of Germany (DPG) and the UK (IOP) have a vastly larger membership than all the others, which requires special considerations. The Finnish Physical Society is similar in size to those of France and Italy, which testifies to its strong position. EPS allows European physicists to be heard at European institutions, including the European Parliament and the European Commission. Our European society needs and deserves support. How about introducing an “EPS lecture” at the Physics Days, with the speaker invited in collaboration with EPS?

Our society also benefits from bilateral collaboration with other national societies. Recently an “IOP Finland Chapter” was established. Strategies related to the role of physics in society, education and industry are issues of common interest and vigorously pursued by the big societies with large resources. Studies on the impact of physics in various areas society published by EPS and its member societies could be presented and debated also in Finland.

My congratulations to the Finnish Physical Society for 70 successful years in support of physics in Finland, and best wishes for the coming decades!

Paul Hoyer
Emeritus professor
University of Helsinki

Aleksi Vuorinen, neutronitähtien tutkija

Teksti: Emilia Kilpua ja Aleksi Vuorinen

Maailmankaikkeuden tihein aine löytyy varsin yllättävästä paikasta. Kun Aurinkoamme huomattavasti painavammat tähdet tulevat elinkaarensa päähän, niiden ulko-osat räjähtävät avaruuteen supernovana. Tähden ydin puolestaan luhistuu kasaan joko tapahtumahorisonttinsa verhoamaksi mustaksi aukoksi tai neutronitähdeksi. Jälkimmäiset ovat tiiviitä, säteiltään noin kymmenkilometrisiä palloja, joiden sisään mahtuu parhaimmillaan jopa kahden Auringon massan verran lähinnä neutroneista koostuvaa ainetta. Neutronitähdet ovatkin eräitä universumimme eksoottisimmista astrofysikaalisista kohteista – ja monet niiden ominaisuuksista vielä pitkälti hämärän peitossa.

Aleksi Vuorinen on teoreettinen hiukkas- ja ydinfyysikko Helsingin yliopistolta, joka haluaa selvittää, miten aine neutronitähtien äärimmäisen tiheissä ytimissä käyttäytyy. Aleksi väitteli tohtoriksi teoreettisesta fysiikasta Helsingin yliopistolta vuonna 2004, vain 23-vuotiaana. Monen fyysikon tapaan hän kiersi väitöksensä jälkeen varsin pitkään maailmalla. Kolme vuotta kului ensin Yhdysvaltain länsirannikolla Seattlessa, Washingtonin yliopistossa. Sieltä matka jatkui Wienin teknilliseen yliopiston kautta Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskukseen CERNin Genevessä. Vuonna 2008 Aleksi sai Alexander von Humboldt -säätiön arvostetun Sofja Kovalevskaja -palkinnon, jonka turvin hän perusti ensimmäisen oman tutkimusryhmänsä Bielefeldin yliopistoon. Helsingin yliopistoon Aleksi palasi syksyllä 2013 akatemiatutkijana ja johtaa siellä toimivaa tutkimusryhmää, joka laajeni merkittävästi hänen saatuaan Euroopan komission ERC Consolidator grant -apurahan syksyllä 2016.

Aleksi Vuorinen on hiukkas- ja ydinfyysikko, joka tutkii neutronitähtiä (kuva: Helsigin yliopisto)

Aleksi on teoreettinen fyysikko termin varsinaisessa merkityksessä: hänen tärkeimmät työkalunsa kvanttiväridynamiikan ja muiden kvanttikenttäteorioiden tutkimuksessa ovat kynä ja paperi. Kvanttiväridynamiikka kuvaa aineen pienimpien osasten, kvarkkien ja gluonien välistä vahvaa vuorovaikutusta, joka sitoo kvarkit protoneiksi, neutroneiksi ja lukuisiksi muiksi havaituiksi hiukkasiksi. Työssään Aleksi hyödyntää paitsi kvanttikenttäteorian perinteistä koneistoa, kuten häiriöteoriaa, myös säieteoriasta johdettua ns. mittakenttä/painovoima- tai AdS/CFT-dualiteettia. Tämä varsin eksoottinen työkalu tarjoaa mahdollisuuden ratkaista vahvasti vuorovaikuttavien kenttäteorioiden ominaisuuksia palauttamalla laskut yleisen suhteellisuusteorian ongelmiksi kaarevassa 5-ulotteisessa avaruudessa.

ERC-projektissa Aleksin kunnianhimoinen tavoite on löytää tarkin mahdollinen ennuste neutronitähtien tilanyhtälölle, joka kuvaa niiden sisältämän aineen termodynaamisia ominaisuuksia. “Suurin avoin kysymys alalla on, löytyykö neutronitähtien sisältä kvarkkiainetta eli ovatko kvarkit tähden sisällä vapautuneet värivoiman kahleista”, Aleksi kertoo. Kvarkkiainetta – tai tarkemmin kuumaa kvarkkigluoniplasmaa – on ollut olemassa myös universumin alkuhetkillä, heti alkuräjähdyksen jälkeen, ja lisäksi sitä tuotetaan ns. raskasionitörmäyksissä esimerkiksi CERN:n LHC-kiihdyttimessä. Tämänkaltaisen aineen tutkiminen auttaa siis ymmärtämään myös maailmankaikkeuden alkuhetkiä, minkä lisäksi sillä on linkkejä mm. ydinfuusion sekä kiinteän olomuodon fysiikan tutkimukseen.

Vaikka puhdas laskeminen onkin Aleksin sydäntä lähellä, hän haluaa pitää ainakin toisella kädellään kiinni todellisuudesta. Neutronitähtien fysiikassa häntä kiehtoo paitsi mahdollisuus työskennellä fundamentaalin ja matemaattisesti haastavan ongelman parissa, myös alan kiinteä yhteys havaitsevaan tähtitieteeseen. “Nopeat edistysaskeleet neutronitähtien ominaisuuksien mittaamisessa tarjoavat teoreetikolle upean mahdollisuuden testata ennusteitaan lähes reaaliajassa,” Aleksi tiivistää. Tämä kehitys liittyy osin LIGO-kollaboraation vuonna 2016 julkistamaan gravitaatioaaltohavaintoon. Neutronitähtifyysikot odottavat nimittäin LIGO:n havaitsevan lähivuosina myös kahden neutronitähden yhteensulautumisprosessista lähteviä gravitaatioaaltoja, mikä avaisi kokonaan uuden havaintoikkunan tähtien sisärakenteeseen.

Yhteensulautuvat neutronitähdet synnyttävät gravitaatioaaltoja

Neutronitähtien tilayhtälön tarkkaa teoreettista ennustamista on pidetty lähes mahdottomana tehtävänä, ja vaikeaa Aleksi myöntää sen olevankin. Hänen ryhmällään on kuitenkin uusi tapa lähestyä ongelmaa, joka lähtee liikkeelle kvarkkiaineen tilanyhtälön määrittämisestä vielä neutronitähtien ytimiäkin korkeammissa tiheyksissä. Uudella metodilla on jo saatu erittäin lupaavia tuloksia, mutta ERC-lupauksen lunastaminen vaatii vielä paljon työtä. ”Jää nähtäväksi, pääsemmekö tavoitteeseemme. Toisaalta tutkimus olisi aika tylsää, jos lähestyisi vain sellaisia ongelmia, jotka tiedetään jo etukäteen ratkeaviksi”, toteaa Aleksi.

 

 

Markku Kulmala: Fyysikko ja tieteen moniottelija 

teksti: Mai Allo

Markku Kulmalasta on vaikea puhua tai kirjoittaa käyttämättä superlatiiveja. Yhtä hankalaa on yrittää kuvailla hänen työtään, ellei yhdistele toisiinsa näennäisesti vastakkaisia ilmiöitä ja asioita.

Siis näin: Kulmala johtaa tutkijajoukkoa, joka on aerosolitutkimuksessa maailman paras, ja kuuluu ilmakehätieteissäkin kansainväliseen eliittiin.

Kulmala puolustaa näkyvästi akateemisen perustutkimuksen asemaa. Hänen johdollaan on kuitenkin syntynyt kaksi menestyvää , aerosoliteknologian teollisia sovelluksia tuottavaa spin off- yritystä.

Ja vielä: persoonaltaan hän on niitä ihmisiä, jotka viihtyvät parhaiten omassa rauhassaan. Hän istuu mielellään yksin luontoa kuvaavia yhtälöitä pohtien tai kirjoja lukien. Toisaalta hänet nähdään jatkuvasti kiertämässä ympäri maailmaa tapaamassa poliitikkoja, yritysjohtajia ja rahoittajia, virkamiehiä, mediaväkeä ja taiteentekijöitä. Ulkopuolisesta näyttääkin siltä, että hänet toivotetaan tervetulleeksi kaikkialle – myös valtaapitävien kabinetteihin.

Edelleen, Kulmalan hankkeet kummastuttavat joskus hänen lähimpiä kollegoitaankin. Ne tuntuvat suureellisilta, alaisen sanoin ”joskus ihan absurdeilta.” Niillä on kyllä yleensä taipumus toteutua, jos ei ihan heti, niin jossain vaiheessa kuitenkin. Osasyy lienee se, että Kulmala osaa sekä ideoida että käynnistää projekteja, mutta myös viedä ne loppuun asti. Sitä paitsi Kulmala on optimisti: ”Elefantti syödään pala kerrallaan,” ja edetään ”hitaasti kiiruhtaen.”

Suomen Akatemian ilmakehätieteen huippuyksikkö on pitkälti juuri Kulmalan käsialaa. Jopa huippuyksikkö täydentää näennäisten vastakohtaisuuksien luetteloa: Kulmalan johtamista tutkijaryhmistä osa porautuu syvälle yksittäisten, nanosekunneissa tapahtuvien molekyylireaktioiden tasolle. Osa taas osa tutkii maapallonlaajuisia ilmiöitä, joiden aikaskaala kattaa vuosisatoja.

Kaiken tämän jälkeen kenenkään ei pitäisi yllättyä, kun Kulmala sanoo pitävänsä fysiikkaa kaiken tieteellisen ajattelun selkärankana. Ja lisää samaan hengenvetoon, että hänen omat saavutuksensa perustuvat holistiseen näkemykseen, miltei saumattomaan yhteistyöhön tieteenalojen välillä.

Akateemikko Markku Kulmala on fyysikko, joka on selvittänyt luonnossa syntyvien aerosolihiukkasten alkuperää. Kuva Juho Aalto.

 Havaintoasemia maailman ympäri 

Tutkijaksi Kulmala on esiintynyt paljon suomalaisessa mediassa ja julkisuudessa. Tieteen akateemikoksi hänet on kuitenkin nimitetty pitkän elämäntyön ja konkreettisten aikaansaannosten perusteella. Hän on johtanut 250 hengen huippuyksikköä sen perustamisesta lähtien, ja tehnyt kollegoineen monia tieteellisiä läpimurtoja.

Useimmat Kulmalan ja huippuyksikön löydöksistä liittyvät luonnossa syntyvien aerosolihiukkasten muodostumistapaan. Samalla on vähitellen selvinnyt, miten aerosolihiukkaset vaikuttavat maanpinnan ja ilmakehän välisiin ilmiöihin.

Aerosolihiukkasten suuri rooli ekosysteemissä olisi jäänyt ymmärtämättä ja Kulmalan poikkeuksellinen ura luomatta ilman teknisesti erityislaatuisia havaintoasemia, SMEAR-asemia.

SMEAR-havaintoasemilla mitataan maaperän ja ilmakehän välisiä energia- ja ainevirtoja. Havaintoasema on eräänlainen maastoon sijoitettu laboratoriokokonaisuus, johon kuuluu tutkimuslaitteita, useita huoltorakennuksia, mittaustorneja, asuntoloita jne. Oheisen kuvan mökki on lattiasta kattoon täynnä herkkiä instrumentteja ja huippuelektroniikkaa. Kuva Juho Aalto

SMEAR-asemien nimi tulee lyhenteestä ”Station for Measuring Earth Surface Atmosphere Relations”, eli niillä mitataan maanpinnan ja ilmakehän välisiä aine- ja energiavirtoja. Asema muistuttaa eräänlaista maastoon sijoitettua laboratoriota rakennuksineen ja instrumentteineen, mittaustorneineen ja henkilökuntineen.

Havaintoaseman mittausmasto kohoaa 128 metrin korkeuteen. Kuva Juho Aalto

Kulmala kuuluu pieneen tutkijoiden ydinryhmään, joka yli kolme vuosikymmentä sitten päätti perustaa ensimmäisen SMEAR-aseman tiettömien taipaleitten päähän, keskelle metsää.

Nuoret tutkijat, joista osa vielä oli tuolloin opiskelijoita, tekivät kaiken tieteellisestä suunnittelusta rakennustyöhön asti itse. Samaan aikaan piti ratkoa yhtälöitä ja mallintaa, raivata ja lapioida, kantaa ja asentaa painavia instrumentteja. Siinä sivussa tulevan huippuyksikön tutkijat opettelivat lobbaamaan. Raha oli tiukalla: ensimmäistä asemaa pystytettiin 90-luvun alussa, jolloin Suomen valtio huojui konkurssin partaalla

Värriön SMEAR I-asema on tähän mennessä tuottanut katkeamatonta mittaussarjaa yli neljännesvuosisadan. Ajan mittaan Kulmalan luotsaamat ilmakehätutkijat ovat rakentaneet neljä asemaa Suomeen, yhden Viroon ja yhden Kiinaan, Nanjingiin. Mittausdatan avulla tutkijat ovat pystyneet parantamaan ja testaamaan ilmakehän fysiikkaa ja kemiaa kuvaavia teorioita, ja jatkossa niillä paikataan myös nykyisten ilmastomallien puutteita.

Luonnontieteilijä käyttää työssään sekä aivojaan että käsiään. Lihasvoimakaan ei ole pahitteeksi: laitteet rakennetaan usein itse, ja mittauksia tehdään hankalissa olosuhteissa. Viereisessä kuvassa fyysikko ja metsätieteilijä pystyttävät ensimmäistä SMEAR-havaintoasemaa Lapin Värriöön vuonna 1991. Vas. Markku Kulmala, oik. Pertti Hari. Kuva Erkki Siivola.

Kuusi vakiintunutta asemaa on kuitenkin vasta alkua. Kulmala tähtää tutkijoineen maailmanlaajuisen havaintoasemaverkoston luomiseen. ”Yksi asema tuhannen kilometrin välein, urbaaneille alueille, jäätiköille, rannikoille”, suunnittelee Kulmala. Työ on jo käynnistynyt: tuoreimmat sopimukset uusista asemista Kulmala on allekirjoittanut Pekingissä, Siperian Nadymissa ja lisäksi Kyproksella.

Avointa dataa ja teknisiä sovelluksia 

Skandinaviasta Siperian yli Kiinaan ylettyvän hankkeen kokonaiskustannukset nousevat 4 miljardiin euroon. Lisäksi tarvitaan Euroopan, Venäjän ja Kiinan hallitusten yhteistyötä ja myötämieltä. Jonain päivänä investointi maksaa itsensä takaisin, tuumaa Kulmala: hän tietää kokemuksesta, että akateemisen tutkimuksen sivutuotteena syntyy markkinakelpoisia sovelluksia ja tuotteita.

Huippuyksikön suojissa on tähän mennessä syntynyt kaksi menestyvää spin off-yritystä. Airmodus Ltd valmistaa hiukkaslaskureita ja Karsa Ltd räjähdesensoreita. Räjähdesensoreita käytetään esimerkiksi lentokenttien turvatarkastuksissa vaarallisten kemikaalien etsimiseen.

Kumpikin tuote on lähtöisin aerosolitutkimuksen tarpeista: sellaista kauppaa ei ole, josta tutkijat voisivat ostaa instrumenttinsa suoraan hyllyltä. Kojeet ja laitteet pitää siten keksiä ja rakentaa itse. Joskus se johtaa oivalluksiin, joista on hyötyä muillekin.

”Todennäköisesti me emme näillä rikastu, mutta laskureita kyllä on viety jo hyvän aikaa Kiinaan”, sanoo Kulmala. ”SMEAR-teknologiasta nousee jatkossa lisää aihioita kaupallisille sovelluksille. ”

Kulmala muistuttaa myös, että kaikki SMEAR-asemilla tuotettu data on julkista. Huippuyksikössä työskentelee parhaillaan useampikin tutkija ja data-analyytikko, joiden tehtävänä on dokumentoida ja järjestää dataa niin, että sitä on kenen tahansa helppo käyttää.

”Fysiikka on tieteellisen ajattelun selkäranka”

Markku Kulmala on saanut miltei kaikki mahdolliset koti- ja ulkomaiset palkinnot ja kunnianosoitukset. Tuorein niistä on Wihurin säätiön kansainvälinen, 150 000 euron  palkinto, joka ojennettiin hänelle eilen  9.10.2017 Finlandia-talolla järjestetyssä juhlassa.

Akateemikoksi hän on nuori, 58-vuotias. Hänen elämäntyönsä ei ole kuitenkaan vielä tehty. Kulmalan johtama huippuyksikkö on ylittänyt Sciencen ja Naturen kaltaisten tiedefoorumien korkean julkaisukynnyksen kymmeniä kertoja, eikä tahti näytä hidastumisen merkkejä – päinvastoin. Fysiikan, metsätieteen, meteorologian ja eksaktien tieteitten rajapinnassa syntyy edelleen isojen läpimurtojen alkuja. Uusin aluevaltaus liittyy 5 G-verkon sovelluksiin. Jatkossa Kulmalaa aikoo syventää yhteistyötä myös ekonomistien kanssa.

Silti fysiikka on Kulmalalle ja hänen lähimmille työtovereilleen kaiken tieteellisen ajattelun selkäranka. Se on myös ollut menestysresepti: ”Maailmalla on paljon ilmakehään keskittyviä tutkijaryhmiä, mutta me olemme ainoa, jonka painopiste on fysiikassa ja enemmistö tutkijoista nimenomaan fyysikoita.”

”Toisaalta, jos en olisi aikoinani liittoutunut metsätieteilijöiden kanssa, mitään huippuyksikköä ei olisi koskaan syntynyt. Tutkisin varmaan edelleen aerosolin muodostumisen yksityiskohtia näkemättä sen yhteyttä koko ekosysteemiin. Ilman kemistejä taas moni ilmakehän reaktio olisi jäänyt selitystä vaille. Ja niin edelleen.”

Mitä ilmeisimmin Kulmala osaa yhdistää syvän ja kapean asiantuntemuksen optimaalisella tavalla laveaan monialaisuuteen. Tarkan optimipisteen tietänee vain hän itse, eikä se löydy pelkästään laskemalla, vaan jonkinlaisen vaiston avulla. Se näkyy esimerkiksi rekrytointipäätöksissä: Kulmala on usein täydentänyt joukkojaan akateemisten piirien ulkopuolelta. Esimerkiksi laitteitten rakentamisessa tarvitaan käsityöläisten ja seppien taitoja.

Kulmalan oma opintoura alkoi teoreettisella fysiikalla. Hän ei kuitenkaan ollut niin valopää kuin olisi toivonut, ja siirtyi kandidaatintutkinnon suoritettuaan kokeellisen fysiikan puolelle. Monet kollegat kuitenkin pitävät häntä erinomaisena mallintajana ja teoreetikkona.

”Markku on pitkin uraansa muodostanut työparin jonkun taitavan empiirisen kemistin tai fyysikon kanssa. kanssa. Työparilla on ollut uutta dataa tai toimiva koeasetelma, ja Markku on sitten mallittanut tuloksia,” kuvailee ydinfyysikko Hans-Christen Hansson Tukholman yliopistosta.

Erityisen hedelmälliseksi osoittautui myös työskentely yhdysvaltalaisen kemistin, Douglas Worsnopin kanssa: Kulmala pohdiskeli ja laski, Worsnop rakensi mittalaitteita. Tuloksena syntyi aivan uuden tyyppinen massaspektrometri, jonka avulla alle kolmen nanometrin kokoiset aerosolihiukkasten esiasteet pystyttiin havaitsemaan.

Kulmala vähättelee: ”En minä ainakaan opiskelijana fysiikassa loistanut. Jatko-opinnoissa esimerkiksi monen kappaleen ilmiöiden kurssi tuotti suuria vaikeuksia. Ehkä sitten tutkijana olen onnistunut keskimääräistä paremmin. Ainakaan en pelkää lähestyä asioita, joita ei ole aiemmin edes osattu kysyä. Sitä varten se maailmanlaajuinen havaintoasemaverkostokin pitää rakentaa.”

”Fysiikka on tieteellisen ajattelun selkäranka”, sanoo Markku Kulmala. Kuva Linda Tammisto

CV Markku Kulmala

Akateemikko, aerosolifysiikan professori ja ilmakehätieteen osaston johtaja Helsingin yliopistossa, Suomen Akatemian Ilmakehätieteen huippuyksikön  johtaja, maailman viitatuin geotieteilijä vuodesta 2011 – kirjoittajana yli 900 tieteellisessä artikkelissa, joista Naturessa tai Sciencessä yli 30, akatemiaprofessori kaudet 2004-2009, 2011-2015 ja 2017-2021

  • syntynyt 1958 Forssassa
  • Pro gradu –työ 1982: Uusien ja uusiutuvien energiavaihtoehtojen vertailu
  • Lisensiaatintyö 1985: Aerosolifysikaalinen kaasu-hiukkas-muuntuma
  • Väitöskirja 1988: Nucleation as an aerosol physical problem
  • kuuluu SMEAR-(Station for Measuring Earth Surface-Aerosol Relations)-asemien perustajiin
  • tunnetuin tieteellinen läpimurto: Direct Observations of Atmospheric Aerosol Nucleation, Science 339/943/2013
  • kunniatohtori 9 yliopistossa, muun muassa Tukholmassa, Tartossa ja Nanjingissa
  • kymmeniä palkintoja, mm. Suomen tiedepalkinto 2003, Kansainvälisen Systeemintutkimuskeskuksen IIASA:n palkinto monialaisen ilmakehätieteen kehittämisestä 2014 (Distinguished Visiting Fellow), Fedor P. Litke Gold Medal, Russian Geographical Society, 19.8. 2015
  • Kiinan tiedeakatemian ulkomainen jäsen 2015
  • International Eurasian Academy of Science Euroopan osaston presidentti 2015 – Johtaa perustamaansa PEEX (Pan Eurasian Experiment) -ohjelmaa

Ilmakehätieteen huippuyksikkö

  • perustettu 2001
  • 250 tutkijaa: fyysikoita, metsätieteilijöitä, meteorologeja, kemistejä, matemaatikoita jne, joista valtaosa työskentelee Kumpulan tiedekampuksella Helsingissä
  • harjoittaa akateemista perustutkimusta, jonka tuloksista teollisia sovelluksia. Kolme spin off -yritystä: Airmodus Ltd (hiukkaslaskureita), Karsa Ltd (räjähdesensoreita), SMEAR Ltd (havaintoasemien teknologian ja ympäristöteknologian vienti ja konsultointi)

Markku Kulmalasta, huippuyksiköstä ja ilmakehätutkimuksesta kerrotaan tarkemmin mm. Yhdessä ilmakehässä –  tieteen huipulle ydinturman jäljiltä –kirjassa, jonka joitakin osia on käytetty ylläolevassa tekstissä. Kirja on Mai Allon kirjoittama, ja sille myönnettiin tiedonjulkistamisen valtionpalkinto 2017.

Tiede – Tutkimus – Tarina, powered by Pecha Kucha

Teksti: Emilia Kilpua

Suomen fyysikkoseura juhli 70-vuotista taivaltaan perjantaina 29.9 Tiede – Tutkimus – Tarina, powered by Pecha Kucha tapahtuman merkeissä Tutkijoiden yönä. Tilaisuus järjestettiin Helsingin yliopiston päärakennuksen pienessä juhlasalissa. Tunnelma oli tiivis ja paikka ääriään myöten täynnä. Lähes 250 fysiikasta innostunutta kuulijaa saapui paikalle. Puheita seurattiin suorana live-striimin kautta myös useissa muissa yliopistokaupungeissa fyysikkoseuran järjestämissä tapahtumissa. Tilaisuuden juonti Ursan tiedottaja, TV:stäkin tuttu Anne Liljeström. Illan aikana nähtiin kahdeksan puhujaa ja kahdeksan ainutlaatuista tarinaa. Kalvot vaihtuivat 20 sekunnin välein ja Anne lopetti puheet armotta sorsapillin pärähdykseen.

Ensimmäisenä lavalle nousi Kari Enqvist.  ”Tiede on lapio, jolla tieto kaivetaan esiin” hän julisti. Elämäntarkoitus jäi kuulijoille kuitenkin arvoitukseksi. Taina Kurki-Suonio kertoi, että fuusio on tulevaisuuden ja tähtien energiaa ja muistutti että olemme kaikki tähtien lapsia. Ilpo Vattulainen kehotti nuoria tekemään vaikeita juttuja ja Merli Juustila kertoi valloittavasti Tiedemarssin tarinan. Väliajalla oli tarjolla kuohuviiniä ja postereita. Toisen setin ensimmäinen puhuja Hanna Vehkämäki vertasi pienhiukkasten muodostumista rikkihapon ja dimetyliiniamiinin kohtalokkaaksi rakkaustarinaksi. Syksy Räsänen valotti kuulijoille standradimallin upeutta ja Sissi vei meidät kierrokselle galakseihin. Illan päätti Helsingin yliopiston uusi kansleri Kaarle Hämeri. Hän asteli lavalle kitara kainalossa ja veti kaksi ensimmäistä kalvoaan rocktähden elkein. Ilta jatkui Thirsty Scholars-pubissa ja tiedediskossa Dubrovnikissa.

Fyysikkoseura kiittää kaikkia tapamaan osallistuneita, juontajaa, puhujia ja posterin pitäjiä onnistuneesta illasta!

Puhujakohtaiset tallenteet ja muutamia kuvia tapahtumasta alla (kuvaaja

Kari Enqvist – Totuuden jälkeinen aika

Taina Kurki-Suonio – Fuusio, tulevaisuuden energiaa?

Ilpo Vattulainen – Elämää tietokoneissa

Merli Juustila – #siksiTiede

Hanne Vehkamäki – Molekyylien kosiomenot

Syksy Räsänen – Higgs ja maailmankaikkeuden synty

Sissi Enestam – Aktiivisen galaksin ytimessä

Kaarle Hämeri – Yllättävä pienhiukkastutkimus

Kari Enqvist: Tiede on lapio (kuva Timo Martola)
Taina Kurki-Suonio, Olemme kaikki tähtien lapsia (Kuva Timo Martola)
Science Basement posteri (kuva Timo Martola)
Kaarle Hämeri ja kitari (kuva Timo Martola)
Illan Pecha Kucha puhujat (kuva Emilia Kilpua)

Erkki Laurila, teknillisen fysiikan uranuurtaja

Teksti: Petri Paju

Vuonna 1928 Hämeenlinnan lyseon 15-vuotiaasta oppilaasta Erkki Aukusti Laurilasta oli tulossa innokas maanviljelijä. Aukusti-isän sairastuminen ja kuolema seuraavana vuonna muutti pojan suunnitelmat, ja pian alkaneena lama-aikana perhe menetti suuren Rääpiälän tilan Hämeenlinnan maalaiskunnassa. Maailman murjoma lyseolainen keskittyi opintoihin ja kirjoittautui vuonna 1932 Helsingin yliopistoon. Matematiikastakin olisi voinut tulla Laurilan pääaine, mutta fysiikka kiehtoi enemmän.

Erkki Laurila opiskeli 1930-luvulla fysiikkaa Helsingin yliopiston Fysiikan laitoksella osoitteessa Siltavuorenpenger 20. Rakennuksen varhaisimman osan suunnitteli arkkitehti Gustaf Nyström ja se valmistui vuonna 1910. Fyysikot jättivät talon vuonna 2001. Kuvalähde: Helsingin Kaupunginmuseo

Maatilallaan Laurilat olivat hyödyntäneet monenlaista aikansa uusinta tekniikkaa Erkin käsistään taitavan äidinisän avulla. Samankaltaista luonnontieteiden perusteiden, oivaltamisen ja kätevyyden yhdistelmää Erkki Laurila rakensi 1930-luvun Helsingin yliopistolla sovelletun fysiikan professori Jarl Wasastjernan oppilaana ja valmistumisen jälkeen yksityisassistenttina. Tämän työn yhteydessä ja jatkona maisteri teki kokeita jalokaasuilla. Väitöskirja tarkastettiin vuoden 1940 lopulla. Tutkimuksen otsikko kuului Die Streuung der Röntgenstrahlen an Edelgasen.

Väitöskirja käsitteli tiettyjen jalokaasujen elektronikuorten rakennetta mittaamalla röntgensäteiden sirontaa kaasuissa. Laurila sai erityiset kiitokset omatekoisesta röntgenspektrografistaan. Laite perustui William Braggin alun perin vuonna 1912 rakentaman spektrografin periaatteelle, mutta Laurila oli keksinyt käyttää elektrometriputkea aiempaa tarkempien mittaustulosten saamiseksi. Taitavuus erilaisten instrumenttien rakentajana johdatti hänet jatkosodan aikana Valtion lentokonetehtaan hienomekaaniselle osastolle, jossa tuli korjata ja kehittää monenlaisia mittareita sotalentokoneisiin. Tampereella toimineessa lentokonetehtaassa Laurila suuntautui vuodesta 1942 alkaen tulevan teknillisen fysiikan kysymyksiin käytännön sotateollisuusprojektien suunnittelijana ja johtajana. Kun Teknilliselle korkeakoululle (TKK) Helsingin Hietalahteen (Laurilan myötävaikutuksella) perustettiin vuonna 1945 teknillisen fysiikan professuuri, Laurila valittiin sen ensimmäiseksi haltijaksi.

Maisteri Erkki Laurila tutkii elektronien jakautumista atomissa vuonna 1938 todennäköisesti omatekoisella laitteistollaan. Kuva: Helsingin yliopistomuseo.

Sodanjälkeisistä vuosista alkaen Erkki Laurila oli mukana pystyttämässä tai vahvistamassa Suomeen sellaisia tieteenteon instituutioita ja rakenteita, jotka vaikuttavat vahvasti ja keskeisinä edelleen. Näihin kuuluvat esimerkiksi tutkimusta rahoittavat säätiöt kuten Suomen kulttuurirahasto, yhdistykset kuten Fyysikkoseura, jonka puheenjohtajana Laurila toimi vuonna 1949, ja sekä tiedeseurojen omaehtoinen että valtiollinen tiede- ja teknologiapolitiikka erityisesti 1960-luvulta lähtien.

Tietokoneita ja kaivosinstrumentteja

Laurilan tutkimuskiinnostuksen yksi tärkeä kohde oli jo 1930-luvun lopulta lähtien matematiikkakoneet tai nykytermein varhaiset tietokoneet. TKK:n laboratoriossaan hän rakensi oppilaidensa voimin vuodesta 1952 analogiakonetta. Sitä seurasi digitaalisen ESKO-tietokoneen tekeminen Matematiikkakonekomiteassa vuosina 1954–1960 ja pienempiä hankkeita. Saksalaisesta mallista jäljennetyn ESKOn eli Elektronisen Sarja KOmputaattorin oli tarkoitus valmistua Suomen ensimmäiseksi tietokoneeksi, mutta Postisäästöpankkiin tilattu IBM 650 -kone, joka kastettiin nimellä ”Ensi”, ehti käyttöön vuonna 1958.

1950-luvun alusta Laurilan keskeiseksi omaksi tutkimusalueeksi muodostuivat kaivosteollisuuden tarvitsemat instrumentit ja erityisesti magneettinen erotus. Tältä alueelta hän haki ja sai kymmeniä patentteja 1950-luvun alusta 1980-luvulle sekä julkaisi tuloksiaan tieteellisissä lehdissä ja sarjoissa. Parhaiten menestyi ”Laurilan erotin”, Laurila Separator, joka syntyi jo 1952 ruotsalaiselle Höganäs Ab:lle hienon rautajauheen puhdistamista varten. Suomessa Laurila entisine oppilaineen työskenteli pisimpään Outokumpu Oy:n instrumenttituotannon kehittämiseksi. Tämä työ on yksi tärkeä tausta nykyiselle Outotec Oyj:lle.

Ydinvoimaa ja jälkikasvua

Vuonna 1955 valtioneuvosto nimitti Erkki Laurilan Energiakomitean puheenjohtajaksi. Tarkoitus oli jouduttaa Suomi kohti atomiaikaa. Vastuullinen tehtävä johti Laurilan valmistelemaan ydinvoiman käyttöönottoa Suomessa reilun kahden vuosikymmenen ajaksi. Laaja kokonaisuus sisälsi asiantuntijoiden koulutusta, tutkimustyön rahoitusta ja koordinaatiota, tutkimusreaktorin hankkimisen ja lopulta ydinenergialain kauaskantoista luonnostelua. Pitkällisten esivaiheiden jälkeen Neuvostoliitosta hankittu ja länsimaisella teknologialla paranneltu Suomen ensimmäinen ydinvoimalaitos Loviisa I valmistui vuonna 1977 (video Loviisan ydinvoimalan vihkimisestä).

Vuosien varrella Laurila tuli julkisuudessa tunnetuksi atomifyysikkona, mitä hän ei oikeastaan koskaan ollut. Osana tätä atomiasioiden välillä sekavaa, suurvaltapolitiikan ja kaupallisten intressien läpitunkemaa työkenttää Laurila valittiin vuonna 1963 ns. vanhan Suomen Akatemian jäseneksi, mikä tarkoitti hyvin palkattua vapaata tutkimusvirkaa, josta Laurila jäi eläkkeelle 70-vuotiaana vuonna 1983. Vähintään siihen asti Laurila toimi itsenäisenä tiedevaikuttajana lukuisissa asioissa.

1980-luvun alkuun mennessä Laurilan ja hänen nuoremman kollegansa, professori Pekka Jauhon kouluttamia teknillisen fysiikan diplomi-insinöörejä ja tutkijoita johti niin vastaperustettua Teknologian kehittämiskeskusta (TkT Juhani Kuusi), Suomen kulttuurirahaston hallintoneuvostoa (prof. Jorma Routti) kuin Neste Oy:ä (DI Jaakko Ihamuotila). Pekka Jauho toimi VTT:n pääjohtajana. Samoin Laurilan entisiä oppilaita oli neuroverkkojen tutkijana 1980-luvulla läpimurron tehnyt professori Teuvo Kohonen. Muiden mukana he muodostivat yhteiskunnassa sellaisen teknisesti suuntautuneen vaikuttajaryhmän, jollaista Laurila oli kaivannut Suomeen jo 1950-luvulla puhuessaan tarpeesta luoda maan Väinämöisten rinnalle ”Ilmarisen Suomi”.

Kaiken tekniikan ja fysiikan ohella oli musiikki Laurilan pitkäkestoisin läheinen harrastus. Hänet pyydettiin Hämeenlinnan lyseon orkesteriin soittamaan huilua, mutta yliopistolla Hämäläis-Osakunnan soittajissa soitin vaihtui oboeen. Syksyllä 1941 Laurila osallistui jalkaväkirykmentti 32:n komentokorsussa Uhtualla kuuluisaksi tulleen Eldankajärven jää -laulun sanoittamiseen ja ensimmäiseen esittämiseen. Tämä rintamalaulu, populaarikulttuurin helmi (tai korvamato), jonka varsinaiseksi tekijäksi kirjattiin Erkki Tiesmaa, perustui ryhmätyöhön kuten Laurilan monet muut onnistumiset.

Erkki Laurila: Faktalaatikko

  • Syntynyt 1913, Hämeenlinna
  • Aloitti yliopisto-opiskelut 1932 (Helsingin yliopisto; fysiikkaa, matematiikkaa, kemiaa, tähtitiedettä)
  • Valmistui filosofian maisteriksi 1936 (pro gradu sovellettuun fysiikkaan)
  • Väitöskirja valmistui 1940, dosentti (HY) 1942–1953
  • Valtion lentokonetehdas, hienomekaanisen osaston ja tehtaan johtaja 1942–1946
  • Teknillinen korkeakoulu, teknillisen fysiikan professori 1945–1963
  • Suomen Akatemian jäsen 1963–1983 (ns. vanha Suomen Akatemia)
  • Kuoli Porvoossa 1998
  • puoliso Kerttuli os. Leiwo, neljä lasta
  • Erkki Laurilan suurelle yleisölle tarkoitetut kirjat: Atomienergian tekniikka ja politiikka, 1967, Ydinenergiapolitiikan harhailut, 1978, Muistinvaraisia tarinoita, 1982.

Kirjallisuutta: Paju, Petri: ”Hienomekaaninen keksintötehdas kriisiaikana: Erkki Laurila tutkimusjohtajana Valtion lentokonetehtaalla.” Tekniikan Waiheita, vsk. 33, 1/2015, s. 17–40. Linkki