Kyberaseiden vaikutus kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmiin

Työn tehtävänä on selvittää lähdemateriaalin avulla hyökkäys- ja puolustusmenetelmistä valtiolliseen kyberturvallisuuteen liittyvät keskeisimmät menetelmät ja niiden vaikutukset, tarkastelemalla niitä maailmalla tapahtuneiden kyberhyökkäyksien pohjalta. Tutkimuksella pyritään vastaamaan seuraaviin alakysymyksiin: minkä tyyppisiä kyberaseita käytetään kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmiä vastaan, mikä on niiden vaikutus ja millaisia kyberhyökkäyksiä valtioiden kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmiä vastaan maailmalla on toteutettu sekä miten ne kyetään suojaamaan näiltä kyberuhilta? Tavoitteena on, että tutkimuksella kasvatetaan lukijan tietämystä kyberavaruuden vaaroista ja kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmistä. Keskeiset lähderyhmät ovat aiemmat tutkimukset, kirjallisuus, uutisartikkelit ja erityisesti sähköiset lähteet. Tärkeimpiä yksittäisiä lähteitä ovat muun muassa Suomen valtioneuvoston tuottama Suomen kyberturvallisuustrategia-periaatepäätös (2012) ja Mika-Jan Pullisen tekemä opinnäytetyö Kriittisten tietojärjestelmien suojaaminen kyberuhilta (2012). Tutkimusmenetelmänä käytetään kirjallisuuskatsausta. Tietojärjestelmiin hyökätessä käytetään yhä ammattimaisempia välineitä. Hyökkäystarkoituksen pohjalta suunnitellut ja valmistetut hienostuneet ohjelmistot ovat usein kyberterroristien tai jopa valtiollisten toimijoiden suunnittelemia. Kyberhyökkäyksistä vain prosentti on ollut varsinaisia valtioiden tuottamia kyberaseita. Merkittävinä kyberhyökkäyksinä voidaan pitää muun muassa Stuxnet-tietokonematoa, Flame-vakoiluohjelmaa ja Shamoon-tietokonevirusta. Kyberhyökkäyksistä Stuxnet-tietokonemadolla kyettiin tuottamaan fyysistä vahinkoa tietojärjestelmiin kohdistuvan vaikutuksen lisäksi. Kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmien suojaamisessa käytetään samoja menetelmiä kuin muissa yleisissä tietojärjestelmissä. Suojaus muodostuu kattavasta tietoturvasta, joka pitää sisällään hallinnollisen, henkilöstö-, fyysisen ja tietoliikenneturvallisuuden. Kriittisten tietojärjestelmien suojaus voidaan toteuttaa virustorjuntaohjelmistoilla, eristämällä kriittiset tietojärjestelmät yleisestä verkosta kokonaan, käyttämällä palomuuria, identiteetin- ja pääsynhallinnalla, vahvoilla salausmenetelmillä ja tekemällä omaa tietojärjestelmää vastaan koehyökkäyksiä, joilla löydetään tietojärjestelmän haavoittuvuudet.

Resonant tunneling effects in semiconductor heterostructures

The thesis is devoted to a theoretical study of resonant tunneling phenomena in semiconductor heterostructures and nanostructures. It considers several problems relevant to modern solid state physics. Namely these are tunneling between 2D electron layers with spin-orbit interaction, tunnel injection into molecular solid material, resonant tunnel coupling of a bound state with continuum and resonant indirect exchange interaction mediated by a remote conducting channel. A manifestation of spin-orbit interaction in the tunneling between two 2D electron layers is considered. General expression is obtained for the tunneling current with account of Rashba and Dresselhaus types of spin-orbit interaction and elastic scattering. It is demonstrated that the tunneling conductance is very sensitive to relation between Rashba and Dresselhaus contributions and opens possibility to determine the spin-orbit interaction parameters and electron quantum lifetime in direct tunneling experiments with no external magnetic field applied. A microscopic mechanism of hole injection from metallic electrode into organic molecular solid (OMS) in high electric field is proposed for the case when the molecules ionization energy exceeds work function of the metal. It is shown that the main contribution to the injection current comes from direct isoenergetic transitions from localized states in OMS to empty states in the metal. Strong dependence of the injection current on applied voltage originates from variation of the number of empty states available in the metal rather than from distortion of the interface barrier. A theory of tunnel coupling between an impurity bound state and the 2D delocalized states in the quantum well (QW) is developed. The problem is formulated in terms of Anderson-Fano model as configuration interaction between the carrier bound state at the impurity and the continuum of delocalized states in the QW. An effect of this interaction on the interband optical transitions in the QW is analyzed. The results are discussed regarding the series of experiments on the GaAs structures with a -Mn layer. A new mechanism of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductor heterosructures is considered, namely the resonant enhancement of indirect exchange interaction between paramagnetic centers via a spatially separated conducting channel. The underlying physical model is similar to the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction; however, an important difference relevant to the low-dimensional structures is a resonant hybridization of a bound state at the paramagnetic ion with the continuum of delocalized states in the conducting channel. An approach is developed, which unlike RKKY is not based on the perturbation theory and demonstrates that the resonant hybridization leads to a strong enhancement of the indirect exchange. This finding is discussed in the context of the known experimental data supporting the phenomenon.

Lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin vaikuttavien tekijöiden analytiikka: raaka-aineet, sydänlanka, rakenne ja olosuhteet

Työn tavoitteena oli tutkia lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä. Työn taustalla on yhteistyö suomalaisen kynttilävalmistajan kanssa. Kynttilävalmistajan lämpökynttilöissään käyttämän raaka-aineen hinnan noustessa, on valmistaja kiinnostunut käyttämään edullisempia raaka-aineita. Palamisen kriteerit saavuttavan kynttilän valmistaminen markkinoilla olevista uusista raaka-aineista on havaittu olevan haastavaa, ja vaatii edelleen kehitystyötä. Teoriaosassa käytiin läpi kynttilänvalmistusta yleisesti, RAL-laatustandardin asettamat kriteerit lämpökynttilälle, palamiseen vaikuttavia tekijöitä sekä työn kokeellisessa osassa käytettyjen analyysimenetelmien periaatteet. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin erilaisten kynttiläraaka-aineiden koostumusta ja ominaisuuksia sekä sydänlankojen rakennetta. Lisäksi tutkittiin, miten sydänlangan sisältämien säikeiden määrä, eri raaka-aineiden seossuhteiden muutos sekä jäähdytyslämpötilan muutos vaikuttavat lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin. Työssä myös selvitettiin muutaman markkinoilla olevan kynttilän raaka-ainekoostumus. Tutkimuksissa havaittiin, että vaadittavan liekin korkeuden saavuttamiseksi viskositeetti on yksi raaka-aineen tärkeimmistä ominaisuuksista. Raaka-aineen viskositeetin kasvaessa tarvitaan paksumpi sydänlanka. Raaka-aineen viskositeetin kasvaessa liekin korkeus ei aina pienene, koska liekin korkeuteen vaikuttaa myös langalle tehty kemiallinen käsittely. Mitä korkeampi kynttilän liekki on, sitä suurempi on raaka-aineen kulutus eli palovuo ja tällöin liekin korkeus vaikuttaa myös kynttilän paloaikaan. Kokeissa havaittiin, että liekin korkeuden ollessa vakio, palovuo oli korkein steariinilla. Steariinin jälkeen tulivat palmuvaha ja parafiini. Tällöin parafiinia tarvittiin vähemmän vastaavan paloajan saavuttamiseksi. Nopean jäähdytyksen havaittiin vaikuttavan palmuvahan palovuohon alentavasti, vaikka jäähdytystavalla ei ollut vaikutusta liekin korkeuteen.

Intensification of hemicellulose hot-water extraction from spruce wood by parameter tuning

The growing population on earth along with diminishing fossil deposits and the climate change debate calls out for a better utilization of renewable, bio-based materials. In a biorefinery perspective, the renewable biomass is converted into many different products such as fuels, chemicals, and materials, quite similar to the petroleum refinery industry. Since forests cover about one third of the land surface on earth, ligno-cellulosic biomass is the most abundant renewable resource available. The natural first step in a biorefinery is separation and isolation of the different compounds the biomass is comprised of. The major components in wood are cellulose, hemicellulose, and lignin, all of which can be made into various end-products. Today, focus normally lies on utilizing only one component, e.g., the cellulose in the Kraft pulping process. It would be highly desirable to utilize all the different compounds, both from an economical and environmental point of view. The separation process should therefore be optimized. Hemicelluloses can partly be extracted with hot-water prior to pulping. Depending in the severity of the extraction, the hemicelluloses are degraded to various degrees. In order to be able to choose from a variety of different end-products, the hemicelluloses should be as intact as possible after the extraction. The main focus of this work has been on preserving the hemicellulose molar mass throughout the extraction at a high yield by actively controlling the extraction pH at the high temperatures used. Since it has not been possible to measure pH during an extraction due to the high temperatures, the extraction pH has remained a “black box”. Therefore, a high-temperature in-line pH measuring system was developed, validated, and tested for hot-water wood extractions. One crucial step in the measurements is calibration, therefore extensive efforts was put on developing a reliable calibration procedure. Initial extractions with wood showed that the actual extraction pH was ~0.35 pH units higher than previously believed. The measuring system was also equipped with a controller connected to a pump. With this addition it was possible to control the extraction to any desired pH set point. When the pH dropped below the set point, the controller started pumping in alkali and by that the desired set point was maintained very accurately. Analyses of the extracted hemicelluloses showed that less hemicelluloses were extracted at higher pH but with a higher molar-mass. Monomer formation could, at a certain pH level, be completely inhibited. Increasing the temperature, but maintaining a specific pH set point, would speed up the extraction without degrading the molar-mass of the hemicelluloses and thereby intensifying the extraction. The diffusion of the dissolved hemicelluloses from the wood particle is a major part of the extraction process. Therefore, a particle size study ranging from 0.5 mm wood particles to industrial size wood chips was conducted to investigate the internal mass transfer of the hemicelluloses. Unsurprisingly, it showed that hemicelluloses were extracted faster from smaller wood particles than larger although it did not seem to have a substantial effect on the average molar mass of the extracted hemicelluloses. However, smaller particle sizes require more energy to manufacture and thus increases the economic cost. Since bark comprises 10 – 15 % of a tree, it is important to also consider it in a biorefinery concept. Spruce inner and outer bark was hot-water extracted separately to investigate the possibility to isolate the bark hemicelluloses. It was showed that the bark hemicelluloses comprised mostly of pectic material and differed considerably from the wood hemicelluloses. The bark hemicelluloses, or pectins, could be extracted at lower temperatures than the wood hemicelluloses. A chemical characterization, done separately on inner and outer bark, showed that inner bark contained over 10 % stilbene glucosides that could be extracted already at 100 °C with aqueous acetone.

Palmupohjaisten raaka-aineiden soveltuvuus lämpökynttilämateriaaliksi

Työssä tutkittiin palmupohjaisten raaka-aineiden soveltuvuutta lämpökynttilän valmistukseen steariinin ja parafiinin kanssa. Palmupohjaiset raaka-aineet ovat halvempia kuin steariini ja parafiini, joten raaka-aineen korvaaminen palmupohjaisilla raaka-aineilla voisi tuoda säästöä kynttilänvalmistajalle. Lisäksi niillä voidaan vaikuttaa lämpökynttilän ominaisuuksiin. Teoriaosassa käsiteltiin lämpökynttilän raaka-aineista steariini, parafiini ja palmusteariini. Osassa selitettiin RAL-laatustandardin Quality Mark Candles vaatimukset lämpökynttilälle sekä valuastialle ja keskusteltiin valulämpötilan, jäähdytyksen, viskositeetin ja haaroittuneiden yhdisteiden lukumäärän vaikutuksesta lämpökynttilän koostumukseen. Kokeellisessa osassa valmistettiin lämpökynttilöitä steariinin ja palmupohjaisten raaka-aineiden seoksista palmuraaka-aineiden määrillä 10, 20 ja 30 m- %:a. Parafiinin ja palmusteariinin sekä palmun mid-fraktion seokset valmistettiin palmuraaka-aineiden osuuksilla 10, 20, 40 ja 50 m- %:a ja myös palmusteariinin soft-fraktiolla kokeiltiin seosta 50 m- %:lla. Steariinin ja palmupohjaisten raaka-aineiden seokset eivät toimineet ainakaan käytetyillä sydänlangoilla. Liekinkorkeudet olivat alhaisia eivätkä visuaaliset vaatimukset täyttyneet. Parafiinin ja palmupohjaisten raaka-aineiden seoksista valmistetut kynttilät paloivat ideaalisesti palmuraaka-aineiden osuuksilla 35 – 50 m- %:a. Tulosten perusteella fraktion valinnalla ei näyttänyt olevan merkitystä, mutta palmusteariini on ominaisuuksiensa puolesta kynttilänvalmistukseen soveltuvin. Liekinkorkeus ja palovuo laskivat lineaarisesti palmuraaka-aineen osuuden kasvaessa parafiinikynttilässä.