Sinisenä hohtava kuutio on kohta televisiosta tuttu. Tässä sen salat.





Olympialaisten järjestäjät antoivat tehtävän: Rakentakaa Beijingiin olympiatason vesiurheilukeskus, johon mahtuu viisi allasta ja istuimet 17 000 katsojalle. Rakennuksen pitää kestää maanjäristyksiä ja olla energiatehokas ja ekologinen.

Onnistuu, vastasivat insinöörit ja arkkitehdit. Pitää ottaa mallia saippuavaahdosta.

Lopputulos, lempinimeltään vesikuutio, muistuttaa laatikkoa, joka on rakennettu saippuakuplista.


Tehtiin tuhansista kuplista

Kuution seinät ja katto koostuvat 22 000 tyynystä tai -kuplasta, jotka asennettiin kevyeen teräsputkikehikkoon. Kuplapintaa kuutiossa on yhteensä noin 100 000 neliömetriä.

Tyynyjen ja kuplien materiaalina on etfe-polymeeri. Siitä tehty kalvo ympäröi myös tukikehikkoa sekä ulko- että sisäpuolelta ja suojaa teräsrakenteita kosteuden aiheuttamalta korroosiolta.

Tyynyihin puhalletaan tietokoneen ohjaamilla suuttimilla pieni ylipaine, jolloin saadaan luja rakenne. Tyyny kannattaa auton painon, vaikka etfe-kalvo on vain 0,2 millimetriä paksu. Kalvon sininen sävytys saa rakennuksen näyttämään todella vesikuutiolta.

Katto ja seinät vangitsevat noin 90 prosenttia auringon energiasta. Ilmaa voidaan tarpeen mukaan puhaltaa tyynyjen läpi, jolloin rakennus toimii talvella lämpövarastona ja kesällä jäähdyttimenä.

Ilma jäähdytetään vain alimmassa kerroksessa, jossa liikkuu ihmisiä. Ilmamassan kerrostaminen pudottaa ilmastointienergian tarpeen kymmenesosaan tavanomaisesta.


Joustaa, jos järisee

Maanjäristystä rakennus kestää hyvin, koska tyynyt ja teräskehikko joustavat. Ne toimivat kuin suuri iskunvaimennin.

Materiaalin valmistaja, kansainvälinen Vector foiltec -yhtiö on testannut myös hurrikaaninkestävyyttä ampumalla parrunpätkiä päin tyynyjä. Puukappaleet upposivat tyynyyn mutta eivät menneet seinän läpi.

Pienet naarmut ja viat pystytään korjaamaan paikkaamalla. Kun rakennus joskus puretaan, kalvo voidaan sulattaa ja käyttää uudelleen.

Kalvon voi kyllä puhkaista terävällä veitsellä. Siksi etfeä käytetään seinissä tavallisesti vasta kolmen metrin korkeudesta ylöspäin. Muutenkaan se ei vielä ole omakotirakentajan materiaali, vaan yleistyy ensin urheilupalatseissa ja muissa julkisissa rakennuksissa.


Kupla minimoi pinnan

Huippu-uudenaikaisen vesiurheilukeskuksen geometriassa ja mekaniikassa on sovellettu jo 1800-luvulla alkaneita saippuakuplatutkimuksia. Kuplat kiinnostavat matemaatikkoja, fyysikoita ja insinöörejä, koska ne osaavat minimoinnin.

Saippuakalvo hakee pienimmän mahdollisen pinnan annettujen pisteiden tai viivojen välillä. Saippuakupla on pallomainen, koska pallopinta on pienin pinta verrattuna sulkemaansa tilavuuteen. Mutta mikä on pienin pinta, kun kuplia on monta? Millainen on saippuavaahdon optimaalinen geometria?

Ensimmäisen vastauksen antoi 1887 skotlantilainen fyysikko William Thomson, jonka jälkimaailma tuntee parhaiten lordi Kelvinin nimellä (ks. s. 50-54). Kelvin jakoi tilan 14-tahokkaisiin, joiden seinät koostuivat kuudesta neliöstä ja kahdeksasta kuusikulmiosta.




Ekologia kisalajina Beijingissä


- Stadion saa osan sähköstään auringosta.
- Valaistuksesta kisapaikkojen ympärillä 80-90 prosenttia hoidetaan aurinkosähköllä.
- Olympiakylän tarvitsemasta vedestä lämmitetään 90 prosenttia aurinkoenergialla.
- Noin 20 prosenttia olympialaisten sähkön tarpeesta aiotaan tyydyttää tuuli-voimalla.
- Maa-, ilma- ja vesilämpöpumppuja hyödynnetään sähkön kulutuksen pienentämiseksi.
- Stadionilla on sadeveden keruujärjestelmä.
- Uutta tekniikkaa on myös jätteiden käsittelyssä. Yksi ratkaisuista on alipaineputkisto, jonka suomalainen Puzair toimittaa olympialaisten kongressikeskukseen. Putkisto kuljettaa puolitoista tonnia biojätettä päivässä.
- Suurin ympäristöongelma on ilman saastuneisuus. Saasteita vähennetään esimerkiksi vaihtamalla hiiltä kaasuun. Voimalaitosten uusimiseen on osallistunut suomalainen poltinvalmistaja Oilon, joka on toimittanut Beijingiin kaasupolttimia.







Etfe kehitettiin avaruuskäyttöön

Kun tiedetään, mikä on optimaalinen rakenne, tarvitaan vielä sopiva rakennemateriaali. Sitä haettaessa tulivat apuun kemistit.

DuPontin kemisti Roy J. Plankett löysi 1938 kiinnostavan orgaanisten kemikaalien ryhmän, fluoropolymeerit. Hän onnistui puolivahingossa valmistamaan tetrafluoroeteeniä, jossa on kaksi hiili- ja neljä fluoriatomia. Siitä saadaan ketjuttamalla polytetrafluoroeteeniä eli ptfe:tä, jonka tunnemme parhaiten kauppanimellä Teflon.

Etfe eli eteenitetrafluoroeteeni puolestaan on yhdistelmämateriaali, joka koostuu tetrafluoroeteenistä ja eteenistä. Eteeni, jossa on yksi hiiliatomi ja kaksi vetyatomia, on yksi orgaanisen kemian perusmateriaaleista.

Etfe kehitettiin 1970-luvulla, ja sitä käytettiin alun perin eristeenä avaruus- ja ilmailuteollisuudessa. Etfeä myydään muun muassa kauppanimillä Texlon, Tefzel ja Fluon.


Ihmepolymeeri yleistyy

Saksalainen koneinsinööri Stefan Lehnert, joka on myös innokas purjehtija, pohti, voisiko etfe-kalvosta tehdä purjeita. Purjeita ei tullut, mutta rupesi tulemaan kattoja ja seiniä. Etfe-kalvo kestää aurinkoa ja sateita, hylkii likaa ja on kevyttä ja lujaa.

Lehnert perusti yrityksen valmistamaan etfeä rakennuskäyttöön. Ensimmäinen kohde oli eläintarhan katto Hollannissa. Viime vuosina etfellä on katettu monenlaisia rakennuksia, esimerkiksi Allianssi-jalkapallostadion Münchenissä. Siitä on tehty myös Englannin Cornwallissa sijaitsevat suuret Eden-kasvihuoneet, joissa esitellään maapallon erilaisia biotooppeja.

Vuosisadan ihmepolymeeriksi nimetyn aineen odotetaan murtautuvan markkinoille lopullisesti nyt, kun Beijingin vesikuutio tuo sille julkisuutta. Etfeä on myös stadionin, Linnunpesän, katossa.

Jos Beijing on näytön paikka etfelle, niin saippuakuplatieteelle se ei silti ole olympilaisdebyytti. Saksalaisarkkitehti Frei Otto otti kuplista taannoin mallin Münchenin olympiastadionin kattoon. Makrokuplista on nyt tultu tuhansiin pienempiin.


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