Möödunud sügisel valiti Eesti Teaduste Akadeemia akadeemikuks Tallinna Tehnikaülikooli professor, tehnikadoktor ENN MELLIKOV, kes on tõestanud end viljaka teadlasena, suurepärase organisaatori ja noorteadlaste järelkasvu eest hoolitsejana.

Kui Enn Mellikov kunagi Sverdlovskisse oma doktoriväitekirja näitama läks, küsiti temalt vanust. Saades teada, et mees alles neljakümnene, paluti tal kaitsmisnõukogu ette astumisega oodata. Nii noorele mehele peljati doktorikraadi anda. Sel ajal oldi harjutud, et doktoritöö vääriliseks uurimuseks kulub aastakümneid – pea kogu elu. Aga küllap taibati peagi, et vanuse tõttu tõkkeid seada oleks rumal ja nii sai 1987. aastal äsjasest akadeemikust tolle hetke üks nooremaid doktoreid Eestis. Tema juhitavas laboris on kraadiõpe aukohal, mitmed alla 30-aastased noored on valmis kaitsma juba doktoriväitekirja.

Teie juhitavas laboris on aastaid tegeldud uute, päikeseenergeetikas vajaminevate materjalide saamise ja uurimisega. Miks see temaatika nii oluline on?

Peapõhjus – traditsiooniliste energiaallikate varud vähenevad. Viimased kolm aastat on nafta tarbimine kogu maailmas tunduvalt suurenenud. Praeguse prognoosi kohaselt lõpeb nafta käesoleva sajandi neljakümnendatel aastatel. Alternatiiviks võiks olla päikese- ja termotuumaenergia kasutamine. Viimane leiab aga prognooside kohaselt rakendust mitte enne kui neljakümne aasta pärast.

ENERGIA OMA KODUNT

Päikesepatareid annaksid igaühele võimaluse toota elektrienergiat kohapeal, ka kodus. Ja nii palju, kui vaja läheb, sõltumata sellest, kas naabrimehel lambid põlevad ja ahjud huugavad või mitte. Praegu moodustab päikeseenergia küll vaid sajandik protsenti maailma elektritoodangust, 2040. aastaks prognoositakse jõuda juba kahekümne protsendini. Et kogu maailma vajadused elektrienergiaga varustamisel oleksid rahuldatud, piisaks näiteks, kui kolmandik Sahara kõrbest katta päikesepatareidega ja toota niiviisi elektrienergiat kogu maailmale. Ning seda ainuüksi praegusel tehnilisel tasemel, mil päikesepatareidega suudetakse valguskiirgusest elektrienergiaks muuta umbes kümme protsenti. Samal ajal muidugi uurimistööd päikesepatareide efektiivsuse tõstmisel käivad. Ja niiviisi alaneb ilmselt ka loodavate päikesepatareide hind. Näiteks üks meie läänepoolne koostööpartner – klaasitööstus – soovib klaasi vääristada, kattes selle elektrienergiat tootvate päikesepatareidega. See näitab, et Euroopas tegutsetakse kõvasti arhitektuurse päikeseenergeetika suunas. Miks mitte siis projekteerida klaasist maju, mille seinad annavad ka elektrienergiat. Niiviisi oleks talvel võimalik ruume päevasel ajal täiendavalt kütta, suvel aga jahutada. See on muidugi veel tulevikumuusika.

Kuidas hinnata päikespatareide tootmist ja kasutamist Euroopas?

90 protsendi ulatuses kasutatakse päikesepatareide valmistamiseks räni, mida saadakse sõna otseses mõttes kõikjal leiduvast liivast. Ainuke häda on selles, et päikeseenergia neeldub ränis üsna halvasti ja et toota niisuguste patareidega elektrienergiat, peab ränikiht olema vähemalt ühe millimeetri paksune. Tõsi, ega siis alusele puistata koormate kaupa liiva, vaid liiv on vaja muundada üksikuteks ülipuhta räni kristallideks. Vaatamata väga odavale algmaterjalile on päikesepatareide tootmiseks vajalike ränikristallide valmistamine üsna kallis. Ja eks seetõttu ole kallid ka päikesepatareid ise. Materjali kokkuhoiu annaks õhukeste ränikilede valmistamine. Üks võimalus on teha ränikiled amorfsetena, mille tulemusena neeldub päikeseenergia materjalis paremini. Kuid ka amorfsete ränikilede tegemine nõuab kallist ja keerulist eritehnoloogiat.

VÕILEIB HERNESTEGA

Mida peaks tegema, et päikesepatareid jõuaksid rahva sekka?

Perspektiivne on kasutada keerulisemaid ühendeid, eriti vask-indium-diseleniidi(CuInSe2)-tüüpi aineid. Neist on võimalik valmistada üsna hõlpsasti õhukest, ühe mikromeetri paksust kilet, kus pealegi päikesekiired neelduvad hoopis paremini kui ränis. See aga tähendab materjali märgatavat kokkuhoidu ja loodavate päikesepatareide tavalisest tunduvalt odavamat hinda.

Tänapäeval kasutatakse sääraste kilede saamiseks keerulist vaakumtehnoloogiat. Et tehas, kus säärast kilet valmistatakse, kujutab endast mitmesaja meetri pikkust kõrgvaakumliini, on loodav kile tarbija jaoks tänapäeval veel kallis.

Meie oleme läinud oma laboris teist teed, kasutades ja katsetades sama kile saamist keemiliste tehnoloogiatega, mis on omakorda vaakumtehnoloogiast tunduvalt odavamad. Kuid niiviisi saadud kilede füüsikalised omadused on jälle halvemad, kui vaakummeetodil saadud kilede vastavad näitajad.

Nii et nokk kinni, saba lahti. Tee nii või naa, ikka maksab päikesepatarei lõpptulemusena kopsaka hunniku dollareid või kroone ja ei rahulda veel ka tarbijat?

Siiski, meie laboris on jõutud niisuguste vask-indium-diseleniidist kilestruktuuride korral suurimate efektiivsusteni maailmas, kuigi saadava energia hind on ikkagi kallis. Ent on veel teine võimalus, millega meie labor tegeleb intensiivselt ja ainukesena kogu maailmas. Nimelt oleme loonud võimaluse kasvatada nimetatud kolmele elemendile tuginedes päikesepatareide valmistamiseks vajalikke struktuure pulbrilistest materjalidest monoterakihina. Selleks vajaliku pulbri kõik osakesed on tillukesed 20–70-mikromeetrise läbimõõduga monokristallid. Uurime, kuidas neid kristalle kasvatada, nende kasvamist mõjutada ning kogu seda protsessi kontrollida, et saada just sääraste omadustega kristallikesed, mis päikesekiirgust kõige paremini elektrienergiaks muudavad. Seejuures paigutame kõik pulbri terad neid siduvasse ainesse üheterapaksuse kihina. Piltlikult nii, nagu jäävad herned võileivale, kui see hernehunnikusse vajutada. Leival oleva või asemel on antud juhul siduvaks aineks polüuretaan või epoksüvaik.

Mis juhtub siis, kui päikesekiirgus ehk valgus niisugusele kihile langeb?

Valguse neeldub ja selles moodustuvad laengukandjad. Sest iga kolmikühendi mikrokristalli näol on loodud pooljuhtdioodid, kus valguse toimel algab laengukandjate – elektronide ja aukude ümberjaotumine. Selle tulemusena tekib iga terakese otstele väike potentsiaalide vahe ehk pinge. Terakesed on ühendatud nende

ülemisele ja alumisele pinnale valmistatud juhtelektroodidega omavahel paralleelselt ning kui kogu see monoterakiht ühendada tarbijaga, siis tekib vool. Selleks peab aga valgus jõudma neelduvasse kihti, kus toimub laengukandjate teke. Uuringud peavad viima niikaugele, et tuleb saada aine, mis vastab täpselt ettenähtud koostisele kui ka ehitusele. Koostisest CuInSe2 nähtub, et igas mikrokristallis asuvad vask, indium ja seleen vahekorras 1:1: 2. Tegelikkuses see päris nii pole – just defektid loodavas kristallis, kus aatomid puuduvad või on valedes kohtades, mõjutavad selle elektrilisi ja optilisi omadusi. Kogu pooljuhttehnika tuginebki defektide kontrollitud loomisele, sest need võivad viia paremale valguse neeldumisele, tekitada lisalaengukandjaid – auke ja elektrone ning saavutada suuremat potentsiaalide vahet siinkohal kirjeldatud monoterakihilistes struktuurides. Et neid omadusi soovitud tulemusteni jõudmiseks kontrollida, oleme muretsenud meie näpunäidetel maailma juhtivates firmades ehitatud seadmeid.

Kuidas käib niisuguste kristalliterade valmistamine?

Algmaterjaliks on spetsiaalses veskis jahvatatud vase, indiumi ja seleeni osakesed, mis viiakse kvartsampullidesse koos sulade soolade, nn sulanditega. Need ampullid asetatakse tiigelahju, kus temperatuuril 600–800 kraadi toimub ettenähtud aja jooksul monokristallide kasvamine. Sulasid soolasid on vaja selleks, et põhiained seal kõrgel temperatuuril lahustuksid ja neist lõpuks soovitud suuruse, struktuuri ja omadustega mikromonokristallid kasvaksid. Ampullid hiljem avatakse, sulandi eemaldatakse ja saadakse pulber, mille terakesed ongi need mikromonokristallidest “herned”, mida vajatakse tulevaste võileivastruktuuriga päikesepatareide valmistamiseks. Muidugi, kõik see on meie poolt väljamõeldud tehnoloogia kirjelduse väga lihtsustatud variant. Võileib ise on tegelikult mitmekihiline, igal kihil on oma ülesanne, mis seotud kümnete mõõtmiste ja korrigeerimistega, et kunagi õnnelikult tööstuslikku tootmisse jõuda. Kogu see tehnoloogia on loodud Tallinna Tehnikülikooli pooljuhtmaterjalide laboratooriumis ning kaitstud patentidega kaheksateistkümnes Euroopa riigis ning Ameerika Ühendriikides ja Jaapanis.

KORRAGA NELJA SILDIGA LABORIS

Ning arvatavasti toetub kogu see rakendustegevus juba varem loodud mitmesugustele teooriatele.

Võileivastruktuuriga päikesepatareide alaseid teadusuuringuid tehakse paljudes kohtades maailmas, eriti Saksamaal, USA-s ja Jaapanis. Saksamaal on juhtivaks teaduskeskuseks Stuttgardi ülikool, kellega ka meil on olnud väga tihe koostöö. Sama võib öelda Austrias asuva Linzi teaduslaboratooriumi kohta. Tallinna Tehnikaülikooli labori peamine eripära seisneb selles, et kasutame pulbertehnoloogia näol ühte kõige odavamat tehnoloogiat.

Ilmselt teete ka päikesepatareisid?
Teeme, aga loomulikult mitte tööstuslikke, vaid neid, mida vajame laboratooriumis uurimiseks, mõõtmisteks ja kontrollimiseks. Ei saa ju meie uurimistulemusi kasutavaile ettevõtetele müüa põrsast kotis. Kõik peab olema enne teada ja näha otsast lõpuni. Meie uurime protsesse, kuidas materjale valmistada; teiseks nende materjalide fundamentaalseid omadusi; ning kolmandaks loome valmis struktuurid ning viime läbi nende mõõtmised. Et minna väljatöötluses edasi, on vaja laiendada oma katsebaasi ja valmistada ka päikesepatareisid. Fundamentaaluuringud, materjalide rakendusuuringud ja seadiste väljatöötlus – see ongi meie laboripere tegevus.

Uksel, mille taga teie teadlased töötavad, on neli silti, mis näitab, et heal lapsel on mitu nime.

Kõigepealt asub siin TTÜ Materjaliteaduse Instituudi pooljuhtmaterjalide tehnoloogia õppetooli labor, mis on ühtlasi ka Tallinna Tehnikaülikooli Teaduse Tippkeskus. 2003. aastast kanname koos Tartu Ülikooli keemiaosakonnaga veel nimetust Eesti Vabariigi Teaduse Tippkeskus keemia- ja materjaliteaduse alal. Möödunud aastast oleme ka Euroopa Liidu Teaduse Tippkeskus pooljuhtpäikeseenergeetika materjalide ja seadiste alal. See nimetus on meile eriti suur tunnustus. Me oleme partnerid neljas Euroopa arendusprojektis, mis puudutavad päikeseenergeetika materjale ja seadiseid. Peale selle osaleme ühes Euroopa teaduse koostöövõrgus. Jaanuaris kirjutasime alla uuele projektile, mille sisuks on uute ühtlustatud meetodite väljatöötamine päikesepatareide katsetamiseks. Umbes pooled meie teadlaste publikatsioonid ilmuvad koos teiste maade teadlastega maailma juhtivates erialaajakirjades.

Millest alustasite, et nii kaugele on jõutud?

N Liidu ajal olime üks tavaline pooljuhtmaterjalide labor, mille tegevus lõppes koos Eesti Vabariigi väljakuulutamisega, sest katkesid kontaktid Venemaaga, kelle heaks lepingute alusel pooljuhtsensorite näol mõndagi kasulikku tegime. Tuli leida uus väljund. Juhtus nii, et Helsingis ühel konverentsil kohtusin professor Dieter Meissneriga, kes töötas tol ajal Hannoveri päikeseuurimisinstituudis. Selgus, et meil on ühed ja samad ideed – kuidas luua monoterakihilisi struktuure, millest äsja rääkisin. Nii algaski meie koostöö Volkswagen-fondi poolt finantseeritud teaduslepingu raames 1992. aastal. Ja jätkus ühes teises Euroopa Liidu projektis aastail 1993–1995. Nii on see kestnud tänase päevani. Partnereid on olnud mitmesuguseid, kuid finantseerimine käib üldjuhul Euroopa Liidu kaudu. Meie labori arengule on see igal juhul kasuks tulnud. Kui mingil hetkel oli siin kolm täiskohaga teadustöötajat, siis nüüd on neid üle kahekümne. Et kindlustada projektidest osavõtt, temaatika ja palgad, ei piisa Eesti maksumaksja rahast, 70 protsenti vahenditest saame väljastpoolt Eestit.

ALGUS AKADEEMIKU DOKTORITÖÖS

Tuleb välja, et mikromonokristallid ja nende alusel loodavad kihid olid labori lemmikud juba varem.

Sellele temaatikale oli pühendatud minu doktoritöö. Tookord küll uurisime binaarseid ehk kaksikühendeid, mitte kolmikuid, nagu praegu.

Kuidas ise teadusse ja pealegi niisuguse temaatika peale sattusite?

Juba 1960. aastate alguses läksin üliõpilasena tööle TPI (praeguse TTÜ) füüsikalise keemia kateedrisse. Hiljem lõpetasin instituudi elektroonika erimaterjalide teooria alal. Pärast jätkasin samas kateedris ja 1977. aastal kaitsesin kandidaadiväitekirja. 1982. aastal asutasime koos kadunud kolleegi doktor Peeter Kukega praeguse labori eelkäija, mis kuulus kord keemia-, siis matemaatika-füüsika- ja vahepeal ka mehaanikateaduskonna rüppe. See näitab, et niisugust laadi labor vajab mitmesuguse haridusega insenere ja teadlasi ning sobib mitmesugusesse kooslusesse. Sest materjalide loomine kuulub ju keemia valdkonda, nende uurimisega tegelevad rohkem füüsikud ja käsitlemisega mehaanikud. Meiegi praegusest koosseisust on kaks kolmandikku keemikud ning kolmandik füüsikud. Kõik nad tulevad toime mõõtmis- ja tehnoloogiliste protsesside kontrollimisega arvutite abil. Selleks on aga vaja kalleid ja unikaalseid seadmeid. Möödunud aastane investeering neisse oli 10 miljonit krooni. Ostutehinguid oleme sõlminud peamiselt USA, Saksa ja Soome firmadega. Meie seadmepargis on vajalikust inventarist 95 protsenti mitte vanemad kui neli aastat. Mullu sügisel ostsime kaheksa miljonit krooni maksva mikroskoobi Saksamaalt. See on esimene ja ainuke kõrglahutusega skaneeriv elektronmikroskoop Baltimaades, võimaldades vaadata osakesi suurusega ligikaudu üks nanomeeter. Veel paar aastat tagasi oli see unelmate riist, praegu aga 21. sajandi teadusseade. Mikroskoobi lisaseadmed võimaldavad uurida ka elektrivoolu pilti pooljuhtseadistes ning jälgida laengukandjate käekäiku. Igatahes riistvara ja kaadri pärast me oma laborit häbenema ei pea.

Kes peale Teie veel laboris ilma teevad?

Vanematest tegijatest on alles Jüri Krustok, Malle Krunks, Mare Altosaar, Tiit Varema ja Vello Valdna. Rohkem kui kolmandikul meie inseneridest-teadlastest on aastaid alla kolmekümne ja enamik neist on juba üliõpilasena meie juures töötanud. Noortesse oleme investeerinud väga palju. Praegu viibib Oliivia Niitsoo aastapäevad Iisraelis Waismanni teaduskeskuses, mis kuulub kindlalt meie temaatikaga tegeleva kolme juhtiva keskuse hulka maailmas. Möödunud aastal staþeeris Marit Kauk Stuttgardi ülikoolis ja Ilona Oja ühe Hollandi ülikooli juures. Alles eelmisel aastal avatud unikaalse mikroskoobi operaator Olga Volobujeva õppis ametit Saksamaal, Andri Jagomägi täiendas end Glasgow’ ülikoolis. Meie põhimõte on, et noored peavad täiendama end maailma parimates teaduskeskustes, sest arvata on, et 5–10 aasta pärast juhib labori tegevust juba inimene, kel aastaid praegu alla kolmekümne viie.

Need noored inimesed ja nende järeltulijaist praegused üliõpilased saavad ülikoolitarkust ikka Enn Mellikovi käest?

“Õppetöö?” jääb professor mõttesse. Meie õppetool on väike. Aga koormus suur. Praegu loen kahte erikursust ja veel kahte valikkursust, mille üliõpilased ise välja valivad. Meil ju teadmishimuline rahvas. Kokkuvõttes nõuab nii õppetöö kui ka labori juhtimine palju aega. Hommikul kaheksast õhtul kella kuueni olen alati kohal. Labori aknad lähevad samuti valgeks kell kaheksa, peaaegu ainukesena Mustamäe korpustes on need säramas hiliste tundideni. Inimesed teevad tööd. Noorteadlaste motivatsioon on tõsta kraadi. Vanemad olijad saavad lisatasu arendustööde eest.

Ka selles mängib oma osa akadeemik Enn Mellikov. Jah, Eesti Teaduste Akadeemia akadeemik, kelleks ta valiti eelmisel aastal. Kandidaate sellele kohale oli kolm. Mis kallutas Akadeemia liikmeid hääletama Teie kasuks?

Kõige parem oleks seda küsida nende enda käest. Aga arvata võib, et tulemused. Kuivõrd Teaduste Akadeemia tõstab esile fundamentaaluuringuid, mis võrreldes konkurentidega on olnud minu tugevaim külg, siis võib-olla saigi see otsustavaks.

Millised on Teie praegused ametid?

Olen materjaliteaduse instituudi direktor, õppetooli juhataja ja kõigi nimetatud tippkeskuste juht. Nii et olenevalt dokumendist, millele tuleb alla kirjutada, on sinna mõnikord märgitud ka vastav amet.

Aga suur enamik kirjadest pannakse posti allakirjutanu tiitleid, kraade ja ameteid mainimata – lihtsalt: Enn Mellikov. Ja iga adressaat saab aru, kellega on tegemist.