Lentokoneisiin haetaan nykyisinkin ideoita linnuilta ja muilta luonnon lentäjiltä – mutta myös merieläimiltä.

Teksti: Kalevi Rantanen

Lentokoneenrakentaja Airbusilla oli ongelma. Kun uutta jumboa A380 suunniteltiin, siivistä tahtoi tulla liian pitkät.

Rajan pituudelle asetti lentokenttien koko. Kenttiä on mahdotonta laajentaa, että uusi kone mahtuisi, olkoonkin maailman suurin. Kenttä sallii korkeintaan 80 metrin kärkivälin, mutta jotta kone lentäisi, olisi tarvittu pari kolme metriä lisää. Siiven piti olla samaan aikaan lyhyt ja pitkä. Siinä oli pulmaa kerrakseen.

Insinöörit tiesivät, että 80 metriä riittäisi, jos koko siipi saataisiin synnyttämään nostovoimaa. Ilman pyörteily kuitenkin kumoaa siiven kärkien nosteen. Jos pyörteet voitaisiin jotenkin hävittää, ongelma ratkeaisi. Mutta miten päästä eroon virtauksista, joita aerodynaamisen tietämyksen mukaan pakosta syntyy ilmassa liikkuvan tason reunassa?

Suunnittelijat kysyivät neuvoa kotkalta. Arokotka, Aquila nipalensis, hyödyntää ylöspäin nousevia ilmavirtauksia. Niiden nostovoiman käytössä vielä pidemmät siivet olisivat paremmat, mutta silloin linnun paino kasvaisi haitallisesti. Luonnonvalinnan tuloksena on syntynyt kompromissi. Siipien kärjissä harottaa pieniä sulkia, jotka nousevat melkein pystyyn ja sammuttavat pyörteet.

Insinöörit taivuttivat siiven kärjen ylöspäin pieneksi siivekkeeksi. Ongelma oli ratkaistu. A380-koneen siipien kärkiväli on 79,8 metriä eli 20 senttiä vähemmän kuin lentokenttävaatimus.

Biomimetiikka omii luonnon periaatteita

– Arokotka on hyvä mutta ei ainoa esimerkki linnusta, jolla on erikoistuneet siipisulat, kertoo David Hills. Hän johtaa Airbus-hankkeessa osastoa nimeltä "fysikaaliset suunnitteluprosessit, metodit ja työkalut".

Hills kertoo, että keinotekoisten "kärkisulkien" kehittäminen vaati monen vuoden työn. Siivenkärjen pyörreilmiötä on opittu ymmärtämään vähitellen. – Lopulta ratkaisu pyörteilyn hallitsemiseksi oli hyvin samanlainen kuin linnun siivessä. Tällaista luonnon matkimista kutsutaan biomimetiikaksi.

– Biomimetiikka tutkii, mitä luonto tekee ja miksi, ja käyttää tätä tietoa ihmisen tekemässä ympäristössä. Vain harvoin ratkaisu näyttää luonnon tarkalta kopiolta, mutta takana piilevät samat periaatteet, Hills selittää.

Linnut ja lentokoneet kohtaavat kuitenkin täysin erilaisia rajoituksia ja vaatimuksia.

– Useimmat linnut nousevat ja laskeutuvat lähes pystysuoraan, mutta siviililentokoneen ei tarvitse tehdä näin. Toisaalta lintujen ei tarvitse lentää ääntä nopeammin.

Harvoin heureka-hommaa

Keskustelussa Hillsin kanssa selviää, että yksinkertaisilta näyttävien ratkaisujen takana piilee pitkäaikaista ja laaja-alaista tutkimustyötä. Biomimetiikka on jotain muuta kuin mitä usein esitetään. Ikuisesti kärsimätön ihmiskunta kaipaa pikavoittoja ja uskoo mielellään juttuja helposta menestyksestä.

Moni on kuullut kertomuksen tarranauhasta: Mies kävelytti koiraa. Takiainen tarttui piskin karvoihin. Siitä mies keksi tarranauhan eikä sitten muuta tehnytkään kuin laski voittoja.

Toisin se menee. Innoittava havainto usein vasta aloittaa monen vuosikymmenen urakan.

Hills puhuu enemmän bioinspiraatiosta kuin biomimetiikasta. Luonto inspiroi, innoittaa ja innostaa. Jos kotka on ratkaissut aerodynaamisen ongelman, tiedämme varmasti, että ratkaisu on olemassa, vaikka emme tiedä, mikä se on.

Voimme tulkita bioinspiraation ajatuksen myös sanomalla, että luonto auttaa valitsemaan oikeita ongelmia. Rahaa ja aikaa kuluu kehittämiseen aina. Siksi on tärkeää osata valita.

Biomimetiikka on kuin taideteos, jonka kauneus avautuu hitaasti mutta jonka antama elämys maksaa vaivan monin verroin.

Pöllöltä opitaan meluntorjuntaa

Joka epäilee, ajatelkoon vaikka pöllöjen kykyä lentää äänettömästi. Lentokoneenrakentajia niiden meluntorjuntatekniikka kiinnostaa erityisesti.

Linnun tai lentokoneen lentäessä siivistä irtautuu ilmavirtauksia, jotka tuntuvat ympäristössä meluna.

Hills kertoo, että pöllön sulka rikkoo suurikokoiset virtaukset suureksi joukoksi pikkuvirtoja. Suuret virtaukset synnyttävät matalataajuisia ääniä, jotka kuuluvat kauaksi. Pikkuvirroista lähtee korkeataajuisia ääniä, jotka ympäröivä ilma vaimentaa nopeasti. Kun pöllön kyky hajottaa ilmavirrat opitaan siirtämään lentokoneeseen, lentokenttämelu jää historiaan.

Esimerkiksi brittiläinen Southamptonin yliopisto on tutkinut pöllöjä yli 20 vuotta. Saamme silti odottaa ainakin vähän aikaa, sillä tutkimusta tarvitaan edelleen paljon.

Lintujen hiljaisuutta kuuntelee myös Airbusin arkkikilpailija Boeing. Yhtiön suunnittelijat ovat retkeilleet Nicaraguan viidakoissa, joissa kuulemma riittää sekä pulinaa että meluntorjuntaratkaisuja.

Delfiiniltä kevyempää kulkua

Tutkimuksen edetessä on opittu etsimään mallia yhä etäisemmistä ja epätodennäköisemmistä kohteista. Tulevaisuudessa lentokonesuunnittelijat uskovat saavansa arvokasta oppia myös merieläimiltä, kuten delfiineiltä. Delfinaarioiden tähdet tietävät, miten kulkea veden alla kevyesti. Ne osaavat hallita turbulenssia eli veden pyörteilyä ihollaan. Rikkomalla pyörteet delfiinit vähentävät vastusta 30–40 prosentilla.

– Olemme simuloineet tämänkaltaista turbulenssin hallinnan tekniikkaa, Hills kertoo.

– Simulaatiot ovat selvästi osoittaneet, että on mahdollista vähentää vastusta merkittävästi. Luotettavan ja käyttökelpoisen teknisen ratkaisun kehittäminen on silti suuri haaste.

Hyvä syy suojella monimuotoisuutta

David Hills korostaa, että on siirryttävä luonnon hyödyntämisestä luonnolta oppimiseen. Rohkaisevia esimerkkejä riittää, muualtakin kuin ilmailusta.

Niistä yksi on Karibianmeressä elävä sienieläin Discodermia dissoluta, joka tulee toimeen ilman silmiä, suuta, mahaa ja luita. Niitä se ei tarvitse, koska se on kemiallinen nero, joka tuottaa monimutkaisia myrkyllisiä yhdisteitä. Samat yhdisteet ovat tehokkaita lääkkeitä tulehduksia, virustauteja ja mahdollisesti myös syöpiä vastaan.

Viime vuonna Nobelin kemianpalkinto myönnettiin kolmelle tutkijalle oikeastaan Discodermia dissolutan toiminnan kopionnista. He olivat kehittäneet menetelmiä, joilla sienieläimen tehoainetta voi tuottaa keinotekoisesti suuria määriä.

Näyttää, ettei mikään luonnossa ole tarpeetonta edes kapealla hyötyputkella katsottuna. Ehkä jokin turhan tuntuinen ötökkä tai mikrobi vielä lahjoittaa meille tavan ehkäistä Alzheimerin taudin. Kannattaisiko sudetkin säästää, jos ei eläinystävällisyydestä niin edes itsekkäistä syistä?

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Simpukkaa taivaalle

Mitä tekemistä simpukalla voi olla lentokoneen kanssa?

Vuoden 2010 keväällä joukko tutkijoita Suomen Aalto-yliopistosta ja Ruotsin Kungliga Tekniska Högskolanista raportoi valmistaneensa biomimeettistä paperia. Suomesta työhön on osallistunut molekyylimateriaalien tutkimusryhmä tohtori Andreas Waltherin ja professori Olli Ikkalan johdolla.

Mallina on toiminut simpukan, kuten merikorvan, luja ja kevyt helmiäiskuori. Yksi monista sovellusalueista on ilmailu ja avaruustekniikka.

Helmiäisen ominaisuudet on tunnettu kauan. Kuori on kuin tiiliseinää. Tiiliä ovat mikroskooppiset, aragoniitti-nimisestä epäorgaanisesta aineesta koostuvat liuskeet ja laastia orgaaniset proteiinit. Syntyy vahva ja kevyt rakenne, jollaisen valmistamisesta insinöörit ovat kauan haaveilleet.

Laboratoriossa helmiäistä on kyetty jäljittelemäänkin. Valitettavasti valmistus on ollut melkein käsityötä eli toivottoman kallista.

Uutta suomalais-ruotsalaisen tutkijaryhmän työssä on massatuotantoon sopiva tekniikka. Nanoliuskeista ja polymeeripäällysteistä voidaan tehdä vahvoja ja halutun paksuisia kalvoja paperinvalmistuksen menetelmillä tai vaikka maalaamalla.

Materiaalin vetolujuus yltää messingin tasolle. Paitsi kevyttä ja lujaa materiaali on palonkestävää, mikä tekee siitä kiinnostavan ilmailussa. Lentokone voidaan vaikka vuorata helmiäismimeettisellä paperilla.

Jules Verne ennusti vuonna 1886 Robur Valloittajassa paperin käytön lentokoneessa: "On vielä sanomatta, mistä aineesta insinööri Robur oli rakentanut lentolaivansa – – Mitä oli se kova aine, johon Phil Evansin bowie-puukko ei pystynyt – – Aivan yksinkertaisesti paperia." Ihmepaperin koostumuksen Verne jätti kertomatta. Olisiko mahtanut olla biomimeettistä komposiittia?

Julkaistu Tiede-lehdessä 10/2011

Biomimetiikan parhaita paloja

Alalla on menossa monenlaista. Tiedelehti Bioinspiration & Biomimetics listasi vuoden 2009 kiinnostavimmat tutkimukset:

1 Hyönteisen lennon mallintaminen "mavien" eli mikroskooppisten lentorobottien (micro-air-vehicles) kehittämisessä.

2 Käärmemäisten robottien kehittäminen oikeita käärmeitä jäljittelemällä.

3 Kalojen evien jäljitteleminen "auvien" eli automaattisten sukellusrobottien (autonomous underwater vehicles) kehittämisessä.

4 Perhosen siiven mallin valmistaminen.

5 Hyönteisten siipien kopiointi "mavien" kehittämistä varten.

6 Eläinten jalkojen jousimaisen toiminnan jäljittely juoksevien robottien kehittämiseksi.

Aiheesta aiemmin: Insinööri matkii luontoa, Tiede 9/2007