Autoilijan tai moottoriveneilijän ei tavallisesti tarvitse ajatella moottorin säätöjä eikä sylinterin kaasuvirtoja. Entä jos purjekin tekisi säädöt itse? Suomalaisyritys pyrkii tähän.



Julkaistu Tiede-lehdessä 6/2009


Purjehtija trimmaa eli virittää purjeita tuulen ja aaltojen mukaan, mikä vaatii kokemusta ja taitoa. Maakrapukin voi sentään ymmärtää purjeen toimintaperiaatteen, joka on yksinkertainen ja havainnollistaa kauniisti Newtonin lakeja.

Purje pakottaa tuulen eli ilmavirtauksen kaartamaan. Newtonin ensimmäisestä laista seuraa, että virtaavaan ilmamassaan vaikuttaa silloin jokin voima; muuten ilma liikkuisi suoraan.

Vaikuttava voima suuntautuu purjeen tuulenpuoleiselle, kovertuvalle puolelle. Samalla vaikuttaa - Newtonin kolmannen lain mukaan - myös toinen, vastakkaissuuntainen voima. Tämä reaktiovoima kohdistuu purjeeseen ja vie venettä eteenpäin.


Ilmavirtaus oikuttelee

Todellisuudessa purjeen virittäminen ihanteelliseksi on mutkikas tehtävä, koska ilma käyttäytyy oikukkaasti. Virtauksessa on kitkaa, ja siinä voi olla pyörteitä.

Siksi purjehtijoita kiinnostavat ilmavir¬tausten ominaisuudet. Niiden seuraamiseksi he kiinnittävät purjeisiin erityisiä virtauslankoja, joiden asento kertoo ilman liikkeistä.

Virtauslangoilla on kuitenkin rajoituksensa. Ne viestivät pääasiassa virtausten suunasta, vähemmän esimerkiksi voimasta. Lisäksi kokonaiskuva jää vajavaiseksi, koska lankoja tietenkin kiinnitetään vain sellaisiin paikkoihin, joihin purjehtijat näkevät. Sateella langat voivat liimautua purjeeseen, ja pimeällä niitä on vaikea erottaa lainkaan.


Älypurje syntyi Suomessa

Tarkkuutta ja mukavuutta voi lisätä automaatiolla. Jo vuonna 1992 suomalainen purjeneulomo WB-Sails rakensi yhteistyössä VTT:n kanssa purjeen, johon oli kiinnitetty venymäliuska-antureita. Liuskoista oli vedetty johdot purjeen reunaan ja sieltä kannelle, koska langatonta tekniikkaa ei vielä silloin ollut käytettävissä.

Purje, joka yhtiön mukaan luultavasti oli maailman ensimmäinen älypurje, palveli lähinnä suunnittelijoita purjemateriaalien valinnassa.

Nyt yhtiö kehittää uutta älypurjetta Tekesin tuella ja yhteistyössä VTT:n sekä Metropolia-ammattikorkeakoulun ja sen Sensor Center -yksikön kanssa.

Purjeeseen kiinnitetään langattomia paineantureita, halkaisijaltaan noin kuusimillimetrisiä nappeja. Niiden sisällä on mems-tekniikkaa eli mikrosähkömekaniikkaa, joka muuttaa painevoiman sähköiseksi signaaliksi. Napit muodostavat sensoriverkon, joka kokoaa langattomasti painetiedot purjeen eri pisteistä ja lähettää ne veneen mittaripaneeliin. Samalla mitataan purjeen muoto. Tietokone yhdistää mittaustulokset ja laskee purjeeseen kohdistuvan voiman.

Mittausten pitää olla tarkkoja, koska paine-erot ovat pieniä. Ilmanpaine merenpinnan tasolla on noin satatuhatta pascalia eli vanhan, arkielämässä yhä käytettävän yksikön mukaan yksi ilmakehä. Paine purjeen eri puolilla eroaa kymmenenkin sekuntimetrin tuulessa vain noin 150 pascalia. Korkeus merenpinnasta vaikuttaa hitusen: paine kasvaa noin 13 pascalia metriä kohti.


Ilman paristoja ja johtoja

Tarkkuuden lisäksi anturilta vaaditaan monia muitakin ominaisuuksia. Niistä yksi on kyky hankkia mittaukseen tarvittava energia ympäristöstä. Laitteiden on toimittava ilman paristoja ja johtoja.

Kehitteillä on antureita, jotka toimivat auringolla tai lepattavan purjeen mekaanisella energialla. Pietsosähköiset energiasiepparit tuottavat sähköä taivutettaessa ja venytettäessä. Ehkä tulevaisuudessa energiasieppareina on venyviä nanoputkia, jotka kudotaan suoraan purjekankaaseen.

Tulevaisuudessa elektroniikka tekee paljon muutakin kuin mittaa painetta. Kankaaseen upotetut ledivalot varoittavat, jos purje lepattaa vaarallisesti. On ideoitu myös antureita, jotka vaihtavat väriään purjeen kiristyessä ja löystyessä. Elektroniikka voi kerätä tietoja purjeen kunnostakin.

Jonkin aikaa älypurjeita saadaan kuitenkin odottaa.

- Homma on vielä alkuvaiheessaan; suunnitelmat ovat valmiita, mutta käytännössä matkaan tulee varmasti vielä mutkia, varoittaa WB-Sailsin toimitusjohtaja, purjeiden kehittäjä ja purjehtija Mikko Brummer.


Purjesuunnittelu oma tieteensä

Täsmällisten tieteellisten ja matemaattisten menetelmien soveltamisessa purjeiden suunnittelu kulkee toistaiseksi itse purjehduksen edellä. Purjeiden toimintaa tutkitaan tuulitunnelissa ja simuloidaan tietokoneella.

Kaasu- ja nestevirtauksia kuvasivat tarkasti jo 1800-luvulla ranskalainen insinööri Claude-Louis Navier ja irlantilainen fyysikko Georg Stokes. He laativat differentiaaliyhtälöt, jotka kertovat, miten virtausnopeuden muutos riippuu paineesta ja kitkasta. Navier-Stokesin yhtälöiden ratkaiseminen käsin oli kuitenkin mahdottoman työlästä.

Tietokoneiden laskentavoiman ansiosta vanhoja matemaattisia menetelmiä pystytään nykyisin hyödyntämään täysimääräisesti, ja siksi aerodynaaminen simulaatio on mullistunut täysin.

- Monet vanhat uskomukset ovat osoittautuneet paikkansapitämättömiksi, kertoo Brummer. - Virtauksista purjeiden ympärillä löytyy koko ajan uusia piirteitä

Esimerkiksi mastoa pidettiin ennen lähinnä häiritsevänä jarruna, mutta nykytiedon mukaan se voikin toisinaan toimia ikään kuin isopurjeen osana.


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


Vanhoista purjeista tölkkitykkejä


Nykyaikaiset purjekankaat valmistetaan yhdistelemällä useita materiaaleja, jotka yleensä ovat erilaisia polymeerejä. Näin saadaan purjeeseen mahdollisimman hyvä ominaisuuksien yhdistelmä, mutta haittana on usein huono kierrätettävyys. Yhdistelmämateriaaleja on vaikea purkaa osiinsa.

Yksi ratkaisu ongelmaan on tehdä käytetyistä purjeista uusiotuotteita. Näin hyötykäyttöaikaa ennen kaatopaikalle kuljettamista voi jatkaa.

Uusiomateriaaleista valmistettuun muotiin keskittynyt suomalaisyritys Globe Hope tekee purjeista kasseja, laukkuja, pullokasseja, penaaleja, kukkaroita ja muuta hyödyllistä. Yksi tuotteista on kuuden tölkin putkilo tai tölkkitykki, joissa voi kuljettaa piknikjuomia tai miksei muutakin, vaikka piirustuksia.
www.globehope.com