Akadeemik, Tallinna tehnikaülikooli materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi professor Maarja Grossberg-Kuusk tegeleb uue põlvkonna materjalide arendamisega päikeseenergeetika rakenduseks. Mäletan umbes viieteist aasta eest akadeemik Enn Mellikovi kutsel aset leidnud külaskäiku Tallinna tehnikaülikooli, kus tutvustati toonaseid päikeseenergia alaseid alusteaduslikke ja tehnoloogilisi töid. Toona ei teadnud veel keegi, et päikeseenergeetikast saab suur osa maailma energiabilansist. Uued ja tõhusamad päikeseenergia konverteerimise tehnoloogiad tulevad järjest kasutusse ja kui toona paistis see rohkem omaette nokitsemisena, siis praegu on päikeseenergia valdkonna teadlased energiatehnoloogiate peavoolu põhitegijad.

On suurepärane, kui selliste teadlaste nagu meie seast nüüdseks lahkunud Enn Mellikov, aga ka prof Malle Krunksi või ka käesoleva intervjuu vestluspartneri doktoritöö juhendaja emeriitprofessor Jüri Krustoki teadustöid viib igati edukalt edasi uus põlvkond. On väga hea, et nii tähtsas energiatootmise valdkonnas nagu päikeseenergeetika, on meil alusteaduslik kompetents ja ekspertiis.

Prof Maarja Grossberg-Kuusk on üsna verivärske akadeemik (2023) ja veel verivärskem teaduste akadeemia juhatuse liige ning tehnika- ja informaatikateaduste osakonna juhataja (2024). Ta on riigilt pälvinud ka teaduse populariseerija tiitli kategoorias „Parim teaduse ja tehnoloogia populariseerija“.

Rääkige palun alustuseks, millega te materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudis tegelete?

Tallinna tehnikaülikooli materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudis tegeletakse nagu nimigi ütleb erinevate materjalide tehnoloogiate arendamisega, sealhulgas puitmaterjalide, biopolümeeride, tekstiilimaterjalide, pooljuhtmaterjalide, biofunktsionaalsete materjalide ning anorgaaniliste materjalide tehnoloogiate arendamisega. Samuti keskkonnatehnoloogiatega, sh vee-, pinnase- ja õhupuhastustehnoloogiate väljatöötamisega. Instituut on suur, ligi sada inimest ja katab tõesti väga laia materjaliteaduse spektri. Igal teemal võiks terve artikli kirjutada.

Lisaks instituudi juhtimisele on minu professuuri ehk teadus-, arendus- ja õppetöö keskmes uue põlvkonna materjalide arendamine päikeseenergeetika rakendusteks. Päikeseenergeetika on maailmas kõige kiiremini kasvav taastuvenergeetika valdkond. Lisaks olemasolevatele päikesepaneelide tehnoloogiatele on meil vaja nende kõrvale ka uusi, mis oleksid väiksema keskkonnamõjuga (nii nende tootmine, kasutatavad materjalid kui jäätmete ringlusse võtmise võimalused), võimaldaksid mitmekülgseid rakendusi (erinevates kliimatingimustes kasutamist, hoonete elementidesse ja toodetesse integreerimist jne) ning oleksid suure kasuteguriga. Meie teadusrühm keskendub kesteriitsele absorbermaterjalile Cu₂ZnSnS₄, mis koosneb neljast laialt levinud ja mittemürgisest elemendist – vask, tsink, tina ja väävel. Päikese­elemendis on absorbermaterjal kõige olulisem komponent, kuna selle eesmärgiks on võimalikult hästi päikesekiirgust neelata, mille tulemusena tekivad laengukandjad, mis päikeseelemendi struktuuri abil siis vooluringi suunatakse. Kõige levinum absorbermaterjal on räni, millel põhinevad päikesepaneelid on need, mida me enda ümber igal pool näeme, sest just räni-päikesepaneelid moodustavad praegu turust üle 90%. Räni-päikesepaneelide tootmine on aga energia- ja ressursimahukas protsess, millel on märkimisväärne keskkonna jalajälg. See on ka põhjus, miks uusi absorbermaterjale välja töötatakse.

Kesteriidi eeliseks on selle keskkonnasõbralik koostis ja suurepärane valguse neelamisvõime, mis on kordades parem kui ränil, võimaldades kasutada palju väiksemat materjalikogust sama hulga valguse neelamiseks. Mida õhem ja ka kergem on absorbermaterjal, seda rohkem rakendusvõimalusi ta pakub. Seda põhjusel, et lisaks tavapärastele jäikadele päikesepaneelidele saab valmistada ka painduvaid ning ka valgust osaliselt läbilaskvaid päikesepaneele, mis annab võimaluse valmistada näiteks päikeseelektrit tootvaid aknaid. Painduvad päikeseelemendid pakuvad arhitektidele lisavõimalusi hoonetes taastuvelektri tootmiseks. Meie uurimisrühm arendab unikaalset monoterakiht-päikeseelemendi tehnoloogiat, mis võimaldab just selliste omadustega päikesepaneele valmistada. Kesteriitidel Cu₂ZnSn(S,Se)₄ põhinevad õhukesekilelised päikeseelemendid püstitasid käeoleval aastal ka uue kasuteguri rekordi, milleks on 15%. Meie oma Cu₂ZnSnS₄ monoterakiht-päikeseelemendi tehnoloogiaga oleme saavutanud selle materjaliga maailmarekordilise kasuteguri 12% ning töötame tehnoloogia arendamisel selle nimel, et seda tõsta teoreetilise maksimumi suunas, mis ulatub 30%-ni.

Naastes nüüd kokkuvõtvalt uuesti instituudi juurde, siis meie kaheksa uurimisgruppi on igati iseseisvad ja elujõulised. Viimati lisandus tekstiilitehnoloogia uurimisgrupp ja mingit täiendavat tulevast struktuurimuudatust instituudis ma tarvilikuks ei pea, need asjad on praeguseks paigas.

Millised on üldisemalt tänapäevased materjalide uurimismeetodid?

Materjalide uurimismeetodid arenevad pidevalt suurema tundlikkuse ja lahutusvõime suunas, selleks et üha täpsemini määrata materjalide omadusi, olgu selleks siis koostis, elektrilised või optilised omadused, struktuur. Suudame juba praegu iseloomustada materjale aatomtasemel, vaadata kuidas aatomid materjalis paiknevad või kus on kristallstruktuuris defektsed kohad. Samuti oleme võimelised mõõtma üksikute aatomkihtide optilisi ja elektrilisi omadusi. Kuna meid ümbritseb nanotehnoloogia, siis nende materjalide uurimiseks on sellised meetodid hädavajalikud.

Näen, et üheks arengusuunaks on kindlasti ka komplekssed mõõtmissüsteemid, kus ühe mõõtmissüsteemiga saab suure hulga infot uuritava materjali kohta. Selliste meetodite eeliseks on suur aja kokkuhoid, sest ei pea liikuma objektiga ühest kohast teise, halvemal juhul ühest riigist teise. Eriti oluline on see materjalide puhul, mille omadused võivad ajas muutuda.

Kolmandaks tooksin välja masin­õppe ja eksperimentaalsete mõõtmissüsteemide kooskasutamise, mis annab võimaluse mõõtmistest kätte saada rohkem süstematiseeritud informatsiooni. Ehk inimese asemel teeb suure hulga mõõtmisandmete analüüsi ära tehis­intellekt, hoides kokku aega ning võimaldades saada ka informatsiooni, mis inimesel võib kahe silma vahele jääda.

Kehastuge palun päikeseenergeetika materjalide teaduslabori koosseisu teadlasena päikeseenergia advokaadiks ja tooge välja mõned argumendid selle energialiigi kiituseks.

Päikeseenergeetika eelistena teiste taastuvenergia valdkondade ees tooksin välja selle kättesaadavuse, mitmekülgsed rakendusvõimalused, pika eluea ning väikesed paigaldus- ja hoolduskulud. Päikesepaneelide hinnad on aja jooksul nii palju langenud, et nende soetamine ei ole enam luksus. Kui võrrelda näiteks tuugenitega, siis on päikesepaneelide eluiga vähemalt kümme aastat pikem ning hoolduskulud olematud. Lisaks on praeguseks võimalik päikesepaneele paigaldada väga paljudesse kohtadesse: hoonete katustele, fassaadidele või muudele pindadele (sh vastava pinnaga integreerides, sel juhul räägime ehitis­integreeritud päikesepaneelist. Neid toodavad Eestis näiteks Roofit Solar ning Solarstone) maapinnale, veekogudele (ujuvad päikesepargid ei ole küll Eesti tingimustesse kõige sobivam lahendus, kuna meil veekogud jäätuvad) ning muidugi on päikesepaneelid olnud kosmoses väga kaua põhiliseks elektrienergia allikaks. Arendatakse ka päikeseelektrit tootvaid autosid, aga need on ja jäävad nišitooteks. Ma leian, et päikeseenergia kasutamine elektrienergia või soojuse tootmiseks on üks lihtsamaid ja keskkonnasõbralikumaid viise, olles asendamatu piirkondades, kus elektrivõrgustik puudub.

Samal ajal tasub mõista ka seda, et päikesepaneelidele seavad juba kasutatavad materjalid ette loodusseadustest tulenevad piirangud põhjusel, et planeedil Maa ei eksisteeri sellist looduslikku materjali, mis absorbeeriks ja konverteeriks kasulikuks energiaks kogu Päikese kiirguse spektriulatust. Näiteks ränipõhistel paneelidel on absoluutne piir ees 33% peal, kuid loomulikult ei tähenda see, et selline tipuefektiivsus oleks tubastes oludes ja mõistliku hinna juures saavutatav. Poes müügil olevate igati mõistliku hinnatasemega päikesepaneelide efektiivsus jääb 24% kanti. Labori tasemel on saavutatud ränipõhiste paneelide efektiivsuseks 27%, mis on juba lähemal absoluutsele võimalikule maksimumile.

Sellest 33% teoreetilisest piirist saab muidugi üle minna, kombineerides erinevaid materjale, kus üks materjal suudab neelata mingi osa päikesekiirguse spektrist, teine teist osa ja kolmas kolmandat spektriosa. Neid kutsutakse tandempäikesepaneelideks ja selliste päikeseenergiaelementide teoreetiline absorbeerimisvõime on kuni 50% kasulikku energiat. Kuid need on juba ka märksa kallimad ning tehniliselt keerulisemad päikesepaneelid.

Nagu ennist märkisin, siis meie siin oma Tallinna tehnikaülikooli laboris töötame sellise materjaliga nagu kesteriit. Erinevalt ränist on meie uuritav materjal päikesepaneelides kasutatavana hästi keskkonnasõbralik ning mis peamine – meil on tema jaoks välja töötatud originaalne tehnoloogia.

Milliseks hindate Eesti energiabilanssi ja energia isetootmise võimekust? Mida oleks vaja otsustavamalt teha?

Ma ei ole energeetik, et hakata lahkama Eesti energiabilanssi. Minu seisukoht on, et peame tagama oma riigile stabiilse ja turvalise kohaliku energiatootmise, mitte sõltuma liiga tugevalt teistest riikidest. Ainult taastuvenergeetikaga seda praegusel ajal ei ole võimalik saavutada, vaid kasutada tuleks mõistlikku kombinatsiooni erinevatest energiaallikatest. Minu arvates ei ole Eestis energeetikasektor mõistlikult juhitud ja analüüsitud ning pikk plaan puudub. Meil on vaja juhuelektrile kõrvale hulga stabiilsemaid energia tootmislahendusi või salvestusvõimalusi. Kuid ega needki ole olemasolevate tehnoloogiate juures valmislahendusteks valmis. Me võime ju neid akuparke siia rajada, aga nende efektiivsus on suhteliselt madal ja nende kasulik eluiga on veel lühem kui tuule- ja päikeseenergia tehnoloogiatel.

Ma ei ole tuumaenergia vastane ja leian, et see on üks tõsiseltvõetavaid energiatootmistehnoloogiaid, mida peaksime kasutuselevõtus kaaluma. Põlevkivienergeetikat ma tõesti ei poolda, sest see saastab ikka väga tõsiselt keskkonda, kuid leian, et põlevkivi keemilist väärindamist peaksime ikkagi jätkama, eriti, kui töötatakse välja keskkonnasõbralikud tehnoloogiad kogu tootmisahelale.

Meil on praegu ühiskonnas tulikuum arutelu riikliku energiamajanduse arengukava üle ja valitsus peab siin ükskord tegema selged valikud, kuidas me edasi liikuma hakkame.

Lõpetuseks tahan öelda, et viimasel ajal on päris palju üles tõstetud ka tuule- ja päikeseenergia tehnoloogiate keskkonnajalajälje küsimus. Sest päikeseenergiapaneelides ja eriti tuulegeneraatorite turbiinides kasutatakse kalleid ning haruldasi maavarasid ja sellega jäetakse nende tootmisel maha arvestatav keskkonnakahjulik jalajälg. Ma seda probleemi siiski tõsiseks ei pea, nähes kõrvalt, milline tõsine arendustöö käib nende materjalide taaskasutusele võtuks pärast nende kasuliku eluea ammendumist. Olen veendunud, et järgneva paarikümne aasta jooksul tulevad turule tehnoloogiad, mis võimaldavad kõik seni loodud päikese- ja tuuleenergia tehnoloogiate materjalid võtta täielikult taaskasutusse uueks elutsükliks.

Teile omistati koos Jüri Krustokiga 2021. aastal Eesti riiklik teaduspreemia tehnikateaduste alal tööde tsükli „Uute 2D ja 3D mitmikpooljuhtide optiline spektroskoopia“ eest. Mille eest preemia anti?

See anti tööde tsükli eest, mille käigus uurisime uute pooljuhtmaterjalide optilisi omadusi ja defektstruktuuri erinevate spektroskoopiliste meetoditega. Defektid on pooljuhtmaterjalides märgilise tähendusega, sest määravad suuresti ära, kuidas vastav materjal mingis seadises, on see siis päikese­element, sensor või transistor, töötab. Defektstruktuuri läbi tehnoloogiaarenduse muutes saame muuta ka nende materjalide omadusi soovitud suunas. Uuritud materjalide seas olid uue põlvkonna keskkonnasõbralikud päikeseelementide absorbermaterjalid ja väga põnevad uue põlvkonna optoelektroonika materjalid, mis on vaid ühe monokihi paksused. Need on huvitav materjaligrupp, mille omadused 2D kujul on hoopis teistsugused kui samal materjalil 3D kujul.

Hiljuti avaldasite koos kolleegist akadeemiku Krista Fischeriga artikli „Reaalteadused vajavad rohkem naisi“. Kuidas murda stereotüüpe? Reaalteadustel on küljes maskuliinsuse hõng ja seda ilma igasuguse sisulise põhjenduseta.

Tõepoolest viisime arvamusfestivalil läbi arutelu, kuidas saada reaalteadustesse rohkem naisi ja selle põhjal sai ka see arvamusartikkel kirjutatud. Tegelikkuses on erinevused poiste ja tüdrukute reaalteaduslikes võimetes väiksemad kui indiviidide vahelised erinevused. Arvan, et see stereotüüpne mõtlemine, mille kohaselt reaalteadused pole tüdrukutele, kaob praeguse põlvkonna noortega ja kõik on paljuski meie endi kätes. Püüame Kristaga noortele naistele eeskujuks olla tutvustades oma teadustööd ja erialast tegevust. Mind on näiteks inspireerinud Marie Curie elulugu, mida põhikoolis lugesin. Alateadlikult on see mind minu teadlaskarjääris alati saatnud. Nagu ka arvamusartiklis välja tõime, siis on tähtis tüdrukutele juba varakult anda võimalus reaalteaduste ja tehnikateadustega tutvuda, sest huvi saab tekkida ikka selle vastu, millega, käed küljes, tutvuda saab.

Pean ka tunnistama, et mulle ei ole elus ette tulnud situatsiooni, kus oleksin pidanud mõtlema, et siin sai takistuseks mu sugu. Alati on peetud tähtsaks minu kui teadlase professionaalsust ja sootõkke taha pole midagi jäänud. Võimalik, et mul on vedanud. Kuid olen näinud sellist käitumist kõrvalt teistes uurimisgruppides, seega probleem ei ole kindlasti olematu. Nagu ennist ütlesin: usun, et see probleem suuresti kaob ühe põlvkonna jooksul, sest kui kusagil võib veel soostereotüüpset käitumist näha, siis selle taga on paraku vanema põlvkonna meesterahvad.

Näen ülikoolis praeguste tudengite käitumist ja ka koolides antakse juba kõigile võrdseid võimalusi valida oma huviringidesse kuulumist. Mul on endal kaks tütart ja ei ole täheldanud, et neid oleks kuidagi soolise kuuluvuse alusel üht- või teistpidi mõjutatud. Hästi tänuväärset tööd teevad erinevad MTÜd, kus juba algklasside õpilased, mõnel juhul juba lasteaialapsed, saavad osaleda inseneeria suunaga töötubades soost olenemata. Peab ära tabama laste arengus selle õige hetke, mil maailma avastaval noorel on huvi uusi asju katsetada. Kui see õige aeg mööda lasta, siis hiljem ei pruugi seda enam tekkida. Seega, ma väga tervitan kõiki neid algatusi ja seda energiat, millega eestvedajad seda tööd teevad.

Palju on põhjusega arutletud naisteadlaste märksa keerulisema teekonna üle teaduses, eriti kui soovitakse jõuda tippu. Kas teil on tähelepanekuid, mis väärivad väljatoomist?

Naisteadlaste puhul mängib kindlasti rolli pere loomine, sest enamasti langeb see periood, mil pere luuakse ja peab end iseseisva teadlasena tõestama, samale ajale. Sel ajal on kindlasti väga tähtis pere tugi ja ka tööandja tugi. Õnneks arvestatakse ühe enam eri projektikonkursside puhul ka lapsepuhkuse ajaga ega oodata, et oled kogu aeg olnud 100% produktiivne. Minul on olnud väga tugev tugi abikaasa näol kõrval.

Leian, et karjääris on naistel akadeemilises maailmas samasugused võimalused mis meestel, kui on ambitsiooni. Naisprofessoreid on küll vähem, aga see on tingitud just sellest, et sel keerulisel perioodil kui pereloomine ja teadusrühma loomine kokku langevad, loobutakse akadeemilisest karjäärist. Soovitan sel ajal kasutada kõiki tugesid, mida pakutakse. Hea tööandja kindlasti arvestab sellega ja võimaldab paindlikkust ja tuge. Kui tuge ei ole, siis alati on võimalik ka tööandjat vahetada. Meil on õigus valida tööandja, kes meie potentsiaali oskab hinnata ja arengut toetada. Sageli seda ei teadvustata.

Veel usun, et kasu on ka heast akadeemilisest mentorist, kes aitab akadeemilist karjääri kujundada ja mõtteid peegeldada.

Osalete jätkusuutliku rohevesiniku ja energiatehnoloogia tippkeskuses. Milliseid eesmärke taotlete?

Selle teaduse tippkeskuse projekt algas käesoleval aastal ja selles osalevad Eesti tugevaimad teadusrühmad, kes tegelevad roheliste energiatehnoloogiate välja­töötamisega sh vesinikutehnoloogiad ning päikeseenergiatehnoloogiad. Meie uurimisgrupi eesmärk on selles projektis arendada järgmisele tehnoloogilise valmiduse tasemele oma kesteriitidel põhinevat monoterakiht päikeseelementide tehnoloogiat, aga uurida ka uusi alternatiivseid päikeseelementide tehnoloogiaid. Projekti raames teeme koostööd ka Eesti päikeseenergeetikat arendavate ettevõtetega ning loomulikult teiste projektis osalevate teadusgruppidega. Üks projekti eesmärke on demonstreerida ka arendatavaid tehnoloogiaid reaalses keskkonnas toimivas demolaboris. Eestis on olemas väga tugev baas innovatsiooniks roheliste energiatehnoloogiate valdkonnas, mis on koondatud just sellesse teaduse tippkeskusesse.

Teil on ka täiesti värske teadusgrant. „Mitmekülgsed jätkusuutlikud kalkogeniidid õhukesekilelistele päikeseelementidele“. Mida on plaanis selle raames ära teha?

Tõepoolest algas detsembris üks Euroopa koostööprojekt nimega SUNLIFE, mille raames töötame koos teiste Euroopa juhtivate uurimisgruppidega ning tööstuspartneriga välja Sb2(S,Se)3 ja Se õhukesekileliste päikesepatareide tehnoloogiaid. Need materjalid on väga aktuaalsed võimalikud absorbermaterjalid päikeseelementidele tänu oma mitmetele omadustele nagu väga suur valguse neeldumistegur, mis võimaldab teha väga õhukesi päikeseelemente, kus absorbermaterjali paksus on vaid 100 nm. Teiseks saab neid materjale valmistada madalatel temperatuuridel ja nende koostist on võrdlemisi lihtne juhtida, mis on tehnoloogiaarenduse seisukohalt väga oluline. Meie uurimisgrupi osaks on uurida valmistatud päikese­elementide elektroonilisi defekte ja anda uuringute põhjal soovitusi tehnoloogia parendamiseks, et seeläbi jõuda kõrge kasuteguriga päikeseelementideni. Kogu protsessi käigus pöörame projektis tähelepanu ka arendatava tehnoloogia keskkonna jalajäljele, kasutades selleks tehnoloogia elutsükli analüüsi.

Peatselt on Tallinna tehnikaülikoolil ees rektori valimine. Millised on ootused rektori suhtes ühe instituudi direktoril?

Instituudi direktorina ootan, et rektor tagab ülikooli põhitegevuseks parima võimaliku keskkonna, tal on pikem vaade ja ta toetab igakülgselt ülikooli kõige väärtuslikumat vara – akadeemilist personali. Soovin, et Tallinna tehnikaülikool jätkaks parima tehnikahariduse andjana ja suurendaks oma konkurentsivõimet ka muude riikidega võrreldes.