Potuttaako bensalasku? Kolmasosa autosi käyttämästä polttoaineesta kuluu kitkan voittamiseen. Uusilla pinnoitteilla kitkakerroin putoaa helposti kymmenes-osaan ja vesivoitelu korvaa öljyn.

Teksti: Maria Korteila

Potuttaako bensalasku? Kolmasosa autosi käyttämästä polttoaineesta kuluu kitkan voittamiseen. Uusilla pinnoitteilla kitkakerroin putoaa helposti kymmenes-osaan ja vesivoitelu korvaa öljyn.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2012

Kitka auton tiellä pitää. Mutta henkilöautossa kitka hörppää polttoaineesta peräti 33 prosenttia. Jäähdytykseen kuluu suunnilleen yksi kolmannes, ja pakokaasujen mukana haihtuu viimeinenkin kolmannes bensatankkiin ostetusta energiasta. Karkeasti ottaen.

Auton moottorissa syöpöimpiä ovat sylintereissä liikkuvat männän renkaat. Metalli hankaa metallia vastaan. Niissä kitkahä­viöt ovat suurimmat, ja ajan myötä kuluminen vain lisää hävikkiä.

Voisiko asialle tehdä jotain? Kyllä vain. Uusilla tekniikoilla auton moottorin kitkahäviöitä voisi teoriassa pienentää jopa 60 prosenttia. Kun karsitaan joukosta taloudellisesti vähiten järkevät vaihtoehdot, käytännössä kitkaa voisi pienentää ainakin viidenneksellä nykyiseltä tasolta.

– Jos kitkahäviöt pienenevät 20 prosenttia, auton kokonaisenergiankulutus ja siten myös polttoaineenkulutus vähenee 18 prosenttia, laskee VTT:n tutkimusprofessori Kenneth Holmberg.

Holmberg on tutkinut kitkaa ja kulumista jo kolme vuosikymmentä. VTT:llä Espoossa sijaitsee Suomen ainoa kitkalaboratorio. Siellä tutkitaan myös kuluneita koneenosia sekä uusia pinnoitteita poranterille ja hammaslääkärin raaputtimille.

Energian lisäksi kitka kuluttaa koneenosia ja aiheuttaa näin seisokkeja tuotantolaitoksiin paperitehtaista ydinvoimaloihin. Hukka-ajat vasta kalliita ovatkin.

Kovettamisen tilalle pinnoitus

Kitkaa ja kulumista tutkiva tieteenala, tribologia, on ollut pitkään perinteinen insinööritiede, jossa on mietitty rasvoja ja laakereita. Tribologia tulee kreikan kielen sanasta tribein, joka tarkoittaa hankaamista.

Viidentoista viime vuoden aikana kitkantutkimus on kuitenkin syventynyt mikrotasolta nanotasolle, kun fyysikot ja kemistitkin ovat innostuneet aiheesta. Samaan aikaan tutkijoiden käyttöön on tullut aivan uudenlaisia työkaluja, kuten atomitason tarkastelun mahdollistava atomivoimamikroskooppi ja molekyylitason simulointi. Mallintaminen atomi- ja molekyylitasolla on nyt kitkantutkimuksen arkea.

Perinteisesti kulumista on estetty niin, että kappaleita on kovetettu lämpökäsittelyllä. Kitkan pienentäminen on hoidettu öljyvoitelulla. Uusia tapoja ovat erilaiset pinnoitteet.

– Kuvittele öljyä laivan teräskannella: hyvin liukasta. Uusilla pinnoitteilla siitä saataisiin 20 kertaa liukkaampaa, Holmberg kertoo.

Timantin kaltaisella lentoa

Erityisen lupaava pinnoite on niin sanottu timantin kaltainen hiili, diamond-like carbon. Kun öljyllä voidellun teräksen kitkakerroin on noin 0,1, dlc-pinnoitteella kerroin saadaan laboratorio-oloissa madalletuksi jopa 0,0001:een. Sellaista liukkautta on jo vaikea kuvitella.

– Siinä toinen pinta ikään kuin lentää toisen päällä, Holmberg kuvailee.

Pinnoitteet ovat alkaneet levitä myös kaupalliseen käyttöön. Timantin kaltaisessa hiilessä hiili esiintyy massamaisena yhdistelmänä timantin kiteisyyttä ja grafiitin levymäisyyttä. Sillä on monta hyvää timantin ominaisuutta, mutta sitä voi valmistaa 100–200 asteessa, kun timanttipinnoite vaatisi 600–700 astetta. Harva materiaali kestää jälkimmäistä pinnoituslämpöä, joka lisäksi ahmii energiaa.

Atomitason tutkimuksessa hiilen salaiseksi aseeksi on paljastunut vety. Timantin kaltaisen hiilen hiiliatomeissa on kahdella puolella tyhjä sidos, johon vetyatomi tarttuu helposti. Kun vastakkain asetetaan pinnat, joilla kummallakin on kerros vetyatomeja, ne hylkivät toisiaan. Vety hylkii vetyä. Tutkijat jatkavat yhä sen selvittämistä, mikä olisi ihanteellinen pinnoitteen paksuus ja vedyn osuus eri tilanteissa.

Kohti vedellä voitelua

Vesi vanhin voitehista, sanotaan. Koneinsinöörille vesi sen sijaan on ollut kauhistus, sillä se aiheuttaa koneen teräsosissa korroosiota. Koneenosat kestävät paremmin öljyistä voitelua.

Vesi on kuitenkin iänikuinen voiteluaine – ihmiskehossa. Eivät meidän nivelemme ole rasvattuja, siellä homman hoitavat vesi ja proteiinit. Esimeriksi lonkkanivelessä kitka on pienempää kun mitä parhailla teknisillä ratkaisuilla on saavutettu.

Lonkkanivelen kitkaa on tutkittu pitkään ja hartaasti lääketieteessä, koska ihmiset tuppaavat nykyään elämään pitempään kuin lonkkanivel kestää. Biomimetiikka eli luonnon matkiminen on levinnyt myös koneenosien kitkatutkimukseen. Jos jokin toimii ihmisessä, miksei se toimisi myös koneessa?

Pelkkä kitkan pienentäminen ei ole tutkimuksen ainoa motiivi. Tokihan haluaisimme päästä eroon kaikesta ylimääräisestä öljystä sekä ympäristölle haitallisista voiteluöljyjen lisäaineista, kuten fosforista, kloorista ja rikistä.

Liukastetta myös sienistä

Biovoitelua tutkivat esimerkiksi VTT:n kitkalaboratorio ja biotekniikan laboratorio. Niillä on kokonainen kirjasto erilaisia proteiineja, joiden tarttumisominaisuuksia ja paineenkestoa selvitetään nyt kitkasovelluksia varten.

Varsin oiviksi ovat osoittautuneet viljellyistä sienistä saatavat proteiinit. Ne eivät kaipaa öljyä mutta tarvitsevat vettä. Koneenosiin vesivoitelu sopii, kunhan osat pinnoitetaan.

– Biovoitelu on kärkitutkimusta, tulevaisuuden teknologiaa, Holmberg sanoo. – Olemme pystyneet osoittamaan sen toimivuuden mikro- ja nanotasolla ja päässeet erittäin pieniin kitkakertoimiin. Tästä eteenpäin meidän pitää vain saada skaalattua tutkimuksemme makrotasolle, jotta löydämme sopivimmat sovelluskohteet.

Kitkatutkimus on pitkään ollut varsin monitieteinen alue: sekoitus fysiikkaa, kemiaa, mekaniikkaa ja virtausoppia. Nyt kitkatutkijoiden täytyy siis osata biologiaakin.

Jännittävää on sekin, että kitkan perimmäinen syy on yhä mysteeri. Vielä nykyisinkään ei ole olemassa yleisesti hyväksyttyä atomitason selitystä ja teoriaa sille, mistä kitka oikeas­taan saa alkunsa.

TEKNIIKAN PÄIVÄT 2012

Tutkimusprofessori Kenneth Holmberg VTT:stä puhuu aiheesta Kitka ja pinnat, joilla voidaan säästää luonnonvaroja ja energiaa lauantaina 14.1. kello 16.30.

Professori Jukka Jurvelin Itä-Suomen yliopistosta puhuu aiheesta Nivelruston mekaniikasta oppia insinööreille lauantaina 14.1. kello 13.30.