Valtaosa miljoonista materiaaleista, joita ihminen on kehittänyt, toimii kapeissa erityiskohteissa.
Toiset, kuten neomagneetit, tuovat puhtia lukuisiin sovelluksiin, säästävät energiaa ja synnyttävät uudistusten ketjuja.



 


Toiset, kuten neomagneetit, tuovat puhtia lukuisiin sovelluksiin, säästävät energiaa ja synnyttävät uudistusten ketjuja.


Julkaistu Tiede -lehdessä 2/2010


Maailmaa pelastetaan monella tavalla. Japanilaisen magneettitutkijan, tohtori Masato Sagawan mukaan yksi parhaista pelastajista on sintrattu NdFeB-magneetti. NdFeB-magneetti on neomagneetti, moderni kestomagneetti, joka on valmistettu neodyymin, raudan ja boorin seoksesta.

- Uusia kestomagneetteja on lähes kaikkialla, missä käytetään uusiutuvaa energiaa tai säästetään energiaa, kertoo porilaisen Prizztech Oy:n Magneettiteknologiakeskuksen johtaja, tekniikan tohtori Martti Paju.


Käy moneen moottoriin

Uudet magneetit toimivat tuulivoimaloissa, tietokoneissa, sähkömoottoreissa, kodinkoneissa ja lasten leluissa. - Tietokoneiden kovalevyt eivät olisi olleet mahdollisia ilman uusia magneetteja, Paju muistuttaa.

Sähkömoottoreissa kestomagneettien pienuus ja magnetointiin menevän sähkön säästyminen parantavat hyötysuhdetta.

- Perinnäisen sähkömoottorin hyötysuhde on yli 90 prosenttia, mutta siirtyminen kestomagneettiin tuo vielä noin kolmen prosenttiyksikön parannuksen päälle, Paju tietää. Parinkin prosentin parannuksesta koituu suuret säästöt maailmassa, jossa sähkömoottoreita pyörii kaikkialla.


Tehon tuo neodyymi

Uutta neomagneeteissa on suuri "energisyys", jota insinöörit kuvaavat energiatulolla. NdFeB-magneetin energiatulo on yli neljäsataa kilojoulea kuutiometriä kohti, kun 1940-luvulla keksityt AlNiCo-magneetit jäivät paljon alle sadan kilojoulen. Suuri energiatulo pienentää magneetin kokoa ja keventää painoa.

Neodyymi kuuluu lantanoidien alkuaineryhmään, jolla on magneettiselta kannalta sopivasti miehitetyt elektronikehät. Sen vuoksi neodyymi ja eräät muutkin lantanoidit, kuten samarium, pystyvät muodostamaan raudan kanssa voimakkaasti magneettisia seoksia.

Uusmagneetit kehitettiin 1980-luvulla, ja työn teki likipitäen yhtä aikaa kaksi eri fyysikkoryhmää. Ensimmäistä johti Masato Sagawa Sumimotosta, toista hänen kollegansa Tyynenmeren toiselta puolelta, John Croat General Motorsista.


Edistää uusiutuvia

Sähkökone, jossa on neomagneetti, toimii hyvin kaikilla kierrosnopeuksilla. Perinnäiset sähkömagneettikoneet taas vaativat tietyn kierrosnopeuden, jolloin esimerkiksi tuulivoimalassa on pantava mekaaninen ylennysvaihde hitaasti pyörivän tuuliturbiinin ja nopean generaattorin väliin.

Paino vähenee, kun vaihde voidaan jättää pois, mutta samalla saadaan myös etu, joka painaa etenkin tuulivoimaloissa: luotettavuus paranee. Vaihde nimittäin kuluu ja rikkoutuu helposti, ja merellä korjaaminen on hankalaa, huonolla kelillä jopa mahdotonta.

Kestomagneetit alentavat tuulisähkön hintaa. Tietenkin etuja saadaan myös tuulettomissa paikoissa. Kun vaihde vaikkapa sähkömoottorin ja paperikoneen telan väliltä jää pois, säästyy kustannuksia. Teollisuudessa on lukemattomia voimansiirtomekanismeja, joita voidaan yksinkertaistaa.

Uudet magneetit jouduttavat hybridi- ja sähkökulkuneuvojen yleistymistä. Myös kulkuneuvoissa on paljon hyötyä kestomagneettimoottorin hyvästä väännöstä pienilläkin kierroksilla. Sähköajoneuvot taas tuovat mukanaan saasteettoman ja meluttoman ympäristön.


Uudistaa muistia

Fyysikot löytävät materiaaleista yhä uusia ominaisuuksia, jotka tuovat tulevaisuudessa vielä villimpiä magneetteja. Nyt puhutaan nanoteknisistä NdFeB-magneeteista. Magneettisuutta vahvistetaan mikrorakennetta muuttamalla, ja samalla yritetään korvata osa kalliista neodyymistä raudalla.

Jossakin kaukana tulevaisuudessa häämöttää monopolimagnetismi. Viime vuonna kaksi kansainvälistä tutkijaryhmää ilmoitti havainneensa ensimmäisen kerran yksinapaisia magneettisia rakenteita, monopoleja. Tutkijat arvelevat, että ilmiötä voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi tietokoneiden muisteissa (ks. Tiede 1/2010, s. 44-49; tiede.fi/arkisto).

Tietokoneen kehityksessä magneetit ovat aina olleet tavalla tai toisella mukana ja ovat vastakin.
Muistit olivat 1950- ja 1960-luvulla magneettisia. Sitten tulivat puolijohdemuistit. Joukko tutkijoita ja yrityksiä uskoo, että kohta muisteissa palataan jälleen magneetteihin; kehitteillä on magnetoresistiivisiä muisteja, jotka tallentavat dataa magneettikenttiin sähkövarausten sijasta. Näin se säilyy paremmin, ja myös energiankulutus pienenee.


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

Neomagneetti käy näihin





kännykät
tietokoneet
kuulokkeet
kaiuttimet
dvd-soittimet
uistinkelat
kuntopyörät
autojen turvatyynyt
sähkömoottorit yleisesti
hissien sähkömoottorit
hybridiautojen sähkömoottorit
laivojen ja öljynporauslauttojen potkurilaitteet
paperikoneiden moottorit
tuulivoimaloiden generaattorit

Magneetti tekee yhtä ja toista





- Muuttaa mekaanista energiaa sähköksi generaattorissa, jossa magneettikentässä liikkuvaan johteeseen syntyy sähkövirta.

- Muuttaa sähköä mekaaniseksi energiaksi moottorissa, jossa magneettikenttä liikuttaa ferromagneettista kappaletta.

- Teollisuusprosesseissa kiinnittää, erottaa, sekoittaa, siirtää, kuljettaa, merkitsee.

- Tietokoneessa tallentaa dataa.


Magneetteja syntyy monin tavoin


Magneetti - aine tai kappale, jolla on magneettikenttä.


Ferromagneetti - aine, esimerkiksi rauta, joka muuttuu magneetiksi eli magnetoituu ulkoisessa magneettikentässä.


- Kestomagneetti - ferromagneettinen aine, esimerkiksi teräs, joka pysyy magneettisena ilman ulkoisen magneettikentän vaikutusta. Kestomagneetteja on tehty myös seostamalla rautaa alumiinilla, nikkelillä ja koboltilla (alnico).


- Neomagneetti - voimakas kestomagneetti, raaka-aineena neodyymin, raudan ja boorin seos.


- Sähkömagneetti - johdekäämi tai -kela, johon syntyy magneettikenttä, kun sähkövirta kulkee siinä.


- Suprajohdemagneetti - suprajohtavasta aineesta tehty sähkömagneetti.

Kohta kylmenee jääkaappi


Kompressorien sähkömoottoreihin tulee kestomagneetteja. Tulevaisuudessa koko jäähdytyskoneisto voi olla magneettinen, jolloin sähkönkulutus jäisi puoleen kompressorikaapista.

Uuden kaapin pohjana on vanha magnetokalorinen ilmiö. Se tarkoittaa tiettyjen materiaalien jäähtymistä tai kuumenemista magneettikentän vaikutuksesta.

Yhdysvalloissa Amesin laboratorio kehitti 1990-luvulla materiaaleja, jotka toimivat huoneenlämmössä ja reagoivat kestomagneettiin. Yksi tekninen toteutus on pyörä, jonka kehä on valmistettu gadoliniumpohjaisesta magnetokalorisesta seoksesta. Kehä kulkee ensin magneettikentän läpi ja kuumenee. Lämpö johdetaan ympäristöön vesijäähdytyksellä. Jättäessään magneettikentän materiaali jäähtyy entisestään ja jäähdyttää jääkaapissa kiertävää kylmäainetta.

Beijingin yliopiston magneettitutkijan, professori Xu Guangxianin laboratorio taas kehitti muutama vuosi sitten uuden magnetokalorisen materiaalin. Baotoussa, Sisä-Mongoliassa, toimii harvinaisten maametallien instituutti Brir. Sen edustaja arvioi Science-lehdessä syyskuussa, että magneettijääkaappi tulee markkinoille muutaman vuoden kuluttua.

Alzheimerin tautiin tarkoitettu lääke auttoi unien hallintaa.

Jos haluat hallita uniasi, se voi onnistua muistisairauden hoitoon tarkoitetulla lääkkeellä. Lääke virittää ihmisen näkemään niin sanottuja selkounia, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Selkounessa ihminen tiedostaa näkevänsä unta ja pystyy jopa vaikuttamaan siihen.

Joka toinen ihminen on mielestään nähnyt selkounen ainakin kerran elämässään. Joka neljäs näkee niitä kuukausittain, arvioi parin vuoden takainen tutkimuskatsaus.

Alzheimerlääke auttoi tuoreessa yhdysvaltalaisessa tutkimuksessa koehenkilöitä selkouniin. Koehenkilöistä nuori nainen onnistui unessa rullaluistelemaan tavaratalossa, kun oli ensin suunnitellut sitä valveilla.

”Luistelimme ystäväni kanssa pitkin käytäviä. Oli niin hauskaa, että upposin täysillä uneen mukaan”, 25-vuotias nainen kuvailee.

Unet olivat koehenkilöiden mukaan lääkkeen vaikutuksesta todentuntuisempia kuin ilman lääkettä. Yhdysvaltalainen tutkimus julkaistiin Plos One -lehdessä.

Kokeessa tutkijat harjoittivat yli 120 eri ikäistä koehenkilöä näkemään selkounia. Ryhmään oli valkoitunut ihmisiä, jotka muistavat unensa hyvin ja ovat kiinnostuneita selkounista.

He opettelivat tekniikoita, joiden pitäisi helpottaa selkouneen pääsyä. Pitkin päivää ja ennen nukkumaan menoa voi esimerkiksi toistella itselleen, että kun näen unta, muistan näkeväni unta.

Unia voi visualisoida eli harjoitella mielessään etukäteen. Selkouneen päästyään voi tehdä todellisuustestejä, kuten onnistuuko seinän läpi käveleminen tai leijuminen.

Lääkekokeessa, jota johti selkounien uranuurtaja Stephen LaBerge, koehenkilöt saivat galantamiinia. Sitä käytetään lievän tai kohtalaisen vaikean Alzheimerin taudin hoitoon.

Lääke terästää asetyylikoliinin määrää aivoissa. Asetyylikoliini huolehtii viestien välityksestä aivosolujen välillä, virkistää muistia ja kiihdyttää rem-unta. Juuri remvaiheessa ihminen näkee yleisimmin unia.

Suurimman annoksen galantamiinia saaneista 42 prosenttia pystyi kuvauksensa mukaan selkouniin. Osuus oli huomattavasti suurempi osa kuin muissa koeryhmissä.

Koehenkilöiden unta ei mitattu unilaboratorioiden laitteilla, joilla tallennetaan silmien liikkeitä ja elintoimintoja. Tulokset perustuivat koehenkilöiden kertomaan.

LaBerge seurasi kuitenkin toisessa tuoreessa tutkimuksessaan silmien liikkeitä unennäön aikana. Silmien liikkeet kiihtyvät rem-unen aikana.

Kun koehenkilöt siirtyivät selkouneen, he liikuttivat silmiään ennalta sovitusti vasemmalta oikealle. Sitten heidän piti seurata unensa kohteita, joita he olivat ennalta visualisoineet.

Silmät liikkuivat sulavasti, samoin kuin ihmisen seuratessa katseella todellista kohdetta. Kuviteltua kohdetta seuratessa silmät liikkuvat nykäyksittäin.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä.

Kysely

Oletko nähnyt selkounta?

mdmx
Seuraa 
Viestejä5205
Liittynyt23.11.2009

Viikon gallup: Oletko nähnyt selkounta?

Käyttäjä4499 kirjoitti: Mikä on mt häiriö? Kuten sanoin, minusta lääkkeen käyttö tuohon tarkoitukseen on arveluttavaa. Siinä mennään ehkä peruuttamattomasti alueelle, jonne ei pitäisi mielestäni olla mitään asiaa suoranaisesti. Ehkä en nyt vain ymmärrä tarvetta nähdä hallittua "unta" - miksi ei vain kuvitella? Jos "hourailet" saman, tunnet sen varmaan voimakkaammin. Mutta toisaalta et ole siitä niin tietoinen kuin hereillä ollessa, vai mitä? Niin siis, siinä nimenomaan on täysin tietoinen että...
Lue kommentti
Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.