Elämme fotoniikan vuosisataa! Tämä tieto tulee uutisena suurelle osalle ihmisistä, vaikka ilman fotoniikkaa et edes voisi lukea laitteesi näytöltä tätä tekstiä. Suuri joukko muitakin olennaisia arkipäivän asioita puuttuisi. Mutta mistä yli 50 prosentin kasvun vain muutamassa vuodessa saavuttaneessa alassa on kysymys? Entä mitä mullistavia keksintöjä on vireillä Suomessa fotoniikan PREIN-lippulaivaohjelman piirissä?
Fotoniikka tutkii valoa, ainetta ja niiden vuorovaikutusta. Ihmisen näkemän valon aallonpituuksien lisäksi fotoniikan spektri kattaa kaikki valohiukkaset eli myös ultravioletti- ja infrapunavalon. Näiden tavoin fotoniikan keskeinen merkitys arkielämän ratkaisuissa jää laajalti piiloon katseiltamme.
”Valon tiede ja tekniikka eli fotoniikka on nykyisin mukana melkein jokaisessa asiassa. Ennen muuta se on ratkaisevan tärkeä mahdollistava teknologia”, kertoo prof. Jyrki Saarinen, Suomen Akatemian PREIN-lippulaivaohjelman vaikuttavuusjohtaja. Hän on toiminut suomalaisen fotoniikan alan keskeisenä johtohahmona yli parikymmentä vuotta niin yrityksissä kuin tutkimusorganisaatioissa.
”Tekniikan kehityksessä 1800-luku perustui höyrykoneisiin ja mekaniikkaan. Sitten 1900-luku oli elektroniikkaa eli elektronit kuljettavat sähköä, kun nyt fotonit kuljettavat valoa. Ilman fotoniikkaa meillä ei olisi nykyajan tietoliikennettä, jossa tieto kulkee optisia valokuituja pitkin. Ilman fotoniikkaa lääketieteen kehitys ja avaruustutkimus eivät olisi läheskään nykytasolla”, Saarinen sanoo.
Pelkästään älypuhelimen materiaalikustannuksista yli puolet koostuu fotoniikasta eli näytöstä, kameroista, ledivalosta ja sensoreista. Suomalaisissa paperikoneissa käytettävästä mittaustekniikasta yli 70 prosenttia perustuu fotoniikkaan. Optinen sykemittaus älykelloissa ja -sormuksissa on myös valon tieteen sovellus.
”Paljon puhuttu kvanttitietokone on vain osa kvanttiteknologian tulevaisuuden sovelluksia, joihin kuuluvat myös kvanttitietoliikenteen ja -sensorit. Maailmalla rahoitetaan laajalti koko kvanttiteknologian alaa, jossa yli puolet menee fotoniikkaan ja nimenomaan valoon perustuviin ratkaisuihin”, Saarinen mainitsee.
Suomessa kytee yli kahden miljardin euron arvoinen ala – kansainvälisesti yli kaksi biljoonaa
Tuoreen Photonics Industry in Finland -kyselytutkimuksen mukaan alan arvioitu liikevaihto Suomessa ylittää jo kaksi miljardia euroa. Edelliseen vuonna 2020 teetettyyn tutkimukseen verrattuna fotoniikan ala on kasvanut yli 50 prosenttia. Vuonna 2022 maailman fotoniikan alan kattojärjestö SPIE arvioi, että fotoniikan mahdollistamien alojen ja palveluiden arvo ylittää kaksi biljoonaa euroa.
”Fotoniikka on ennen kaikkea mahdollistava teknologia ja siksi se on mukana lähes kaikessa. Kova kasvu ja kysyntä selittyy sillä, että taloustilanteen heitellessäkin markkinoita löytyy aina. Markkinatrendeistä esimerkiksi Euroopan vahva pyrkimys huoltovarmuuden omavaraisuuteen puolustuksen, teleyhteyksien ja kyberturvan osalta varmasti näkyvät Suomenkin roolissa keskeisenä fotoniikan ratkaisujen toimittajana”, kertoo PREIN-vaikuttavuuspäällikkö Juha Purmonen, joka toimii myös fotoniikka-alan kattojärjestön Photonics Finlandin toiminnanjohtajana.
Suomessa fotoniikan liiketoiminta kasvaa muuta maailmaa nopeammin: vuotuinen kansainvälinen kasvuvauhti on viime vuosina ollut noin kuusi ja Suomessa noin neljätoista prosenttia. Puhtaasti fotoniikkaan rajoittuvien yritysten liikevaihto oli vuoden 2023 selvityksen mukaan yhteensä yli 2 miljardia euroa. Oleellisesti fotoniikkaa tekeviä yrityksiä oli noin 300 ja ne työllistävät yhteensä yli 6 000 alan asiantuntijaa.
Maailman mittapuulla Suomi on hyvä erityisesti optisessa kuvantamisessa ja sensoreissa, mikro- ja nanofotoniikassa, sekä lasereissa ja XR-teknologiassa – esimerkiksi virtuaalimaailmat yhdistävän metaversumin käytettävyydessä fotoniikalla on keskeinen rooli. Suomalaisen fotoniikkaosaamisen arvostuksen todistaa se, että useita suomalaisia yrityksiä on ostettu ulkomaille, ja Suomeen sijoittuu myös paljon ulkomaisia yrityksiä. Lisäksi teollisuuden kasvua tukee laadukas fotoniikan koulutus sekä maailmanluokan tutkimus Suomen Akatemian rahoittaman PREIN-lippulaivan alla.
Suomalaisissa fotoniikkayrityksissä korostuu vienti ja ne odottavat liikevaihdon kasvavan peräti 31 prosenttia. Tulevaisuudessa fotoniikan pariin tarvitaan yhä enemmän eri tasoisia alan osaajia tutkimuksesta käytännön taitajiin, sillä yritykset povaavat peräti 18 prosentin kasvua henkilöstömääräänsä. Eikä ihme, sillä kysyntää ja kasvumahdollisuuksia riittää etenkin kansainvälisillä markkinoilla.
”Monet yritykset ovat nuoria ja vasta keräämässä vauhtia nousukiitoon. Fotoniikkaa hyödynnetään paljon erikoislaitteistoissa, joten kotimaan markkina on monelle yritykselle pieni. Globaali markkina puolestaan tarjoaa yrityksille valtavan kasvupotentiaalin. Jarruna toimii tällä hetkellä oikeastaan vain rahoituksen saatavuus sekä liiketoimintamallin skaalautuvuus, sillä kysyntää selvästi on”, kertoo Business Finlandin Sustainable Manufacturing -ohjelmasta vastaava johtaja Toni Mattila.
Aurinkoenergiasta lääkkeiden valoaktivoituun annosteluun
Suomen Akatemian PREIN-lippulaivaohjelmassa tutkitaan fotoniikan sovellutusalueina energiaa, terveyttä, ympäristöä ja digitalisaatiota. Ohjelma alkoi 2019 ja kestää vuoden 2026 loppuun asti. Sen piirissä toimivat hankkeet ovat rakentamassa suomalaisia läpimurtoja, jotka mullistavat esimerkiksi aurinkoenergian tuotantoa, lääkkeiden annostelua ja infektioiden tunnistamista.
PREIN-ohjelmaan kuuluvan Aalto-yliopiston tutkijat murtavat fotoniikalla piikennojen äärirajoja. Nykyiset piikennot saavat hyvin talteen näkyvän valon energian, ja on ajateltu, että noin 30 prosentin hyötysuhdetta ei voi ylittää. Kuitenkin hyödyntämättä jäävät suurienerginen ultraviolettivalo ja heikompi mutta laaja infrapunavalon aallonpituusalue.
”Meidän katseemme on sadassa prosentissa. Olemme jo saavuttaneet uuden maailmanennätyksen, ja saamme UV-valosta sähköä toisin kuin muut”, kertoo mikro- ja nanoelektroniikan professori Hele Savin Aalto-yliopistosta. Hän on maailmanlaajuisesti erittäin arvostettu aurinkoenergian kehittäjä.
Tutkijat hakevat myös keinoja tehdä kennoista yhä halvempia, vaikka ne ovat jo edullisin tapa tuottaa sähköä.
”Suurin kuluerä kennoissa ovat piikiekot, joiden normaali paksuus on 200 mikrometriä. Me olemme kuitenkin tehneet jopa 10 mikrometrin kennoja ilman, että hyötysuhde kärsii. Jos samasta materiaalista saadaan valmistettua 20 kertaa enemmän kennoja, voidaan saada huomattava kustannussäästö. Keinona on tässäkin fotoniikka eli valon manipulaatio, jolla valo saadaan poukkoilemaan kennon sisällä.”
Helsingin yliopistossa on vireillä lääketieteen mullistava uutuus, valolla aktivoituva lääkkeen annostelu. Tavoitteena on hallita valolla elimistöön viedyn lääkkeen vapautumista, pitoisuutta ja kohdistamista.
”Iso haaste tässä on ihmisen ihon pieni optinen ikkuna. Punainen valo menee ihosta läpi, mutta ei sininen, joka olisi tarpeen riittävän kemiallisen energian takia. Kemia ja biologia eivät siis kohtaa”, kertoo Timo Laaksonen, farmaseuttisen nanoteknologian professori Helsingin yliopistossa. Hän toimii myös tutkimusjohtajana Tampereen yliopistossa.
Fotoniikan avulla visaiseen haasteeseen on löytynyt kaksikin ratkaisukeinoa.
”Pystymme tuottamaan sinistä valoa kudoksen sisällä käyttämällä fotonista kikkaa, jolla fysiikan periaatteiden vastaisesti saamme aikaan vähemmästä energiasta enemmän. Punaiselle valolle herkät molekyylit keräävät energian ja tuottavat sinistä valoa ennätysmäisellä 30 prosentin hyötysuhteella. UPM:n kanssa taas tutkimme nanoselluloosageelejä, joilla lääkkeen vapautumisen voi aktivoida punaisella valolla”, Laaksonen selostaa.
PREIN-ohjelmaan kuuluvan VTT:n poikkitieteelliset tutkimustiimit ovat puolestaan tutkineet joustavan elektroniikan ja optiikan käyttöä terveys- ja hyvinvointisovelluksissa jo noin viisitoista vuotta. Kehitteillä on fotoniikkaa hyödyntäviä uutuuksia puettavista laitteista massavalmistettavaan diagnostiikkaan. Jälkimmäisiin kuuluu edullinen vasta-ainetesti, jonka pohjana voi käyttää biohajoavaa selluloosaa.
”Olemme tehneet optisesti aktiivisia testiliuskoja, joiden äärimmäisen ohuella kultapinnalla voi olla melkein minkä tahansa infektion vasta-ainetta. Kun näyte viedään pinnalle, sen optiset ominaisuudet muuttuvat radikaalisti ja tämä havaita fluoresenssivalon lukulaitteella”, kertoo tutkimustiimin vetäjä Maria Smolander VTT:ltä.
Kiinnostuitko fotoniikan innovaatioista? Tilaa uutiskirjeemme ja saat sähköpostiisi tuoreimmat uutiset!
Tilaa uutiskirjeemme ja saat sähköpostiisi tuoreimmat uutiset!