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. 

Jos rehkiminen ei huvita, syy voi olla geeneissä.

Monia liikunta palkitsee hyvän olon tunteella, mutta kaikille palkintoa ei tule, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan. Olo saattaa olla hikilenkin jälkeen enemmän runneltu kuin rento.

”Osa suomalaisten liikkumattomuudesta saattaa selittyä negatiivisilla tuntemuksilla”, sanoo jutussa liikuntapsykologian professori Taru Lintunen Jyväskylän yliopistosta.

Ihmiseltä saattavat puuttua hyvät kokemukset ja liikunnallisen elämäntavan mallit.

Perimälläkin on sormensa pelissä. Naisilla jopa puolet liikuntanautinnon vaihtelusta selittyy geeneillä, miehillä kolmannes.

Näin osoittaa vuonna 2014 julkaistu suomalainen tutkimus, joka perkasi perintötekijöiden osuutta liikuntamotivaatioon.

Tarkkaa syytä eroihin ei tiedetä. Yksi ehdokkaista on aivojen dopamiinirata. Se palkitsee niin syömisestä, seksistä kuin liikunnasta.

Dopamiinikylpy tuottaa aivoissa huumaavan euforian. Tutkimusten mukaan järjestelmän häiriöt vähentävät koe-eläinten liikkumishaluja.

Viime kädessä geenit ohjaavat mielihyväkoneiston toimintaa. Dopamiinin valmistukseen tarvittavat geenit toimivat toisilla kenties vilkkaammin. Erityisesti naisilla on liikuntamielihyvän kokemisessa geneettistä vaihtelua.

Yksilöiden erot ulottuvat laajemmallekin. Kaikki eivät saa liikunnasta yhtä paljon hyötyä – ainakaan heti.

Sama harjoittelu saattaa vaikuttaa ihmisiin eri tavoin. Yhden kunto kasvaa kohisten, mutta toinen ei saa tuloksia, vaikka kuinka rehkisi. Tutkijat puhuvat yksilöllisestä vasteesta.

Kuitenkin vaikka oma elimistö tuntuisi olevan immuuni liikunnalle, se voi olla vain harhaa. Tutkimuksissa tuijotetaan usein suorituskykyyn ja lihasvoimaan. Ne eivät ehkä hetkahda pienestä rasituksesta, mutta veren rasva- ja sokeriarvot saattavat parantua merkittävästi. Siksi liikuntaa voi suositella kaikille.

Kysely

Onko liikunta tuskien tie?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.