Emme tiedä, kuka keksi pyörän, mutta nykykeksijät yrittävät päästä siitä eroon.

Teksti: Kalevi RantanenEmme tiedä, kuka keksi pyörän, mutta nykykeksijät yrittävät päästä siitä eroon.

Kuvittele maailma, jossa pyörä on siirtynyt museoon. Autot liukuvat hiljaa suhisten ilmatyynyjen päällä. Aurinkokennot näyttävät samoilta kuin nyt, mutta tuulimyllyjen siivet ovat kadonneet. Tilalle on rakennettu pietsopuita, joiden tekolehdet havisevat tuulessa ja tekevät sähköä värähdysliikkeestä.

Automaattiset ydinvoimalat, joissa ei ole yhtään liikkuvaa osaa, muuttavat lämpöä suoraan sähköksi. Maailma, jossa ei olisi lainkaan pyöriviä koneita, jää ajatuksen tasolle, ainakin nähtävissä olevassa tulevaisuudessa. Niin hyvä keksintö pyörä on. Ajatuskoe kannattaa silti tehdä, koska joissakin paikoissa on lähes pakottava tarve päästä eroon kaikesta pyörivästä. Juuri nyt näemme selvimmin tietokoneissa, miten pyörä antaa tietä liikkumattomille osille.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sähkö voittaa liikkeen

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Vaikka elektroniikka on korvannut kirjoitus- ja laskukoneiden mekaniikan, pyöriä on silti paljon jäljellä. Massamuisti on tavallisesti nopeasti pyörivä kiekko, josta luetaan ja jonne kirjoitetaan tietoa lukupään avulla. Lukupää on mekaaninen varsi, jonka siirtyminen kiekolla paikasta toiseen vie aikaa. Kilpailijaksi on noussut kiinteä ssd-levy (solid-state-drive), jossa ei ole liikkuvia osia. Data luetaan ja kirjoitetaan sähköisesti.

Hankalin hyrrä tietokoneessa on tuuletin. Sitä tarvitaan, koska yhä tehokkaammilla koneilla on taipumus tuottaa yhä enemmän lämpöä.

Yhdysvaltalaisen Purduen yliopiston tutkijat Dan Schlitz ja Vishal Singhal saivat pari vuotta sitten kansallisen tiedesäätiön palkinnon tuulettimesta, jossa siipien sijaan ilmaa liikuttavat sähköiset hiukkaset.

Uudessa tuulettimessa on sähkölankoja, jotka ionisoivat ympäröivää ilmaa. Ionit liikkuvat sähkökentässä ja nappaavat muita hiukkasia mukaansa. Tavalliseen tuulettimeen verrattuna laitteen koko pienenee neljäsosaan ja ilmavirran nopeus kolminkertaistuu.

Ydinvoimalasta hullunvarma

Japanilaiset ovat suunnitelleet voimalan, joka toimii automaattisesti kymmenen vuotta ja jota on melkein mahdotonta saada hajalle. Voimalan, nimeltään Rapid-L, salaisuus on kaikkien liikkuvien ja pyörivien osien puuttuminen. Mekaanisten sauvojen sijasta reaktoria säätävät nesteet ja kaasut.

Kiinnostavinta on, että voimalan tavanomaisetkin osat ovat liikkumattomia. Tavallisen sähkögeneraattorin tilalla on lämpösähköelementti, joka muistuttaa ulkonaisesti aurinkokennoa – valon sijasta elementti vain muuttaa sähköksi lämpöä.

Reaktorista lämmön tuo elementteihin nestemäinen metalli, jota pumpataan magnetohydrodynaamisella pumpulla.

Lämpösähkö taloudelliseksi

Etenkin avaruustekniikassa lämmöstä on tuotettu sähköä pitkään. Uutta on hyöty­suhteen ja yleisen taloudellisuuden paraneminen.

Suomalaiset ovat olleet mukana kehittämässä materiaaleja lämpösähkön tuotantoon. Professori Michael Gasik Aalto-yliopiston materiaalitekniikan laitoksesta kertoo, että japanilaiset rakensivat jo 2003 lämpösähkögeneraattorin, joka ottaa polttomoottorin pakokaasuista lämpöä yhdeksän prosentin hyötysuhteella. Perinteisten, avaruusluotaimissa käytettyjen generaattorien hyötysuhde on noin viisi prosenttia.

Massachusettsin teknisen yliopiston MIT:­n tutkijaryhmä professori Peter Hagelsteinin johdolla sai viime vuonna pienen laboratoriolaitteen tuottamaan sähköä peräti 40 prosentin hyötysuhteella eli yhtä tehokkaasti kuin hyvä lämpövoimala. Voi olla, että matalampikin hyötysuhde riittää, jos laitteet saadaan tarpeeksi halvoiksi. Hagelsteinin ryhmä käytti lämpösähköelementissä eksoottista kvanttipistemateriaalia.

Pietsopuistosta energiaa

Jos valoa ja lämpöä pystytään muuntamaan suoraan sähköksi, niin miksei tuultakin. Kiinan Luoteisen teknisen yliopiston ja Yhdysvaltain Cornellin yliopiston tutkijaryhmä esitteli viime vuonna keinotekoisen puunlehden, joka tuottaa sähköä pietsosähköiseen ilmiöön perustuen.

Pietsosähköisyys tarkoittaa, että mekaaninen jännitys, esimerkiki puristus, synnyttää aineeseen sähköisen jännitteen. Ilmiö syntyy kiteissä, joiden mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet ovat erilaiset eri suunnissa.

Tutkijat testasivat pietsosähköisiä tekolehtiä tuulitunnelissa ja saivat syntymään pieniä sähkövirtoja. He ovat visioineet tekopuita, joissa on satojatuhansia lehtiä. Jos pietsopuu toteutettaisiin nykytekniikalla, se synnyttäisi painoonsa nähden kymmenesosan kaupallisen tuuliturbiinin tehosta.

”Tuulikennot” ovat nyt samassa kehitysvaiheessa kuin aurinkokennot 50 vuotta sitten. Näemme ehkä pietsopuistoja muutaman vuosikymmenen kuluttua – elleivät sitten materiaalitekniikan edistysaskeleet tee sähköpuista totta jo aiemmin.

Auto jäi haaveeksiKuuluisa tieteiskirjailija Arthur C. Clarke ennusti 1962, että 1990-luvulla yleistyvät liikennemerkit, joissa lukee: ”Pyöräkulkuneuvot kielletty tällä moottoritiellä”. Clarke uskoi, että niin autot kuin laivatkin korvataan ilmatyynyaluksilla. Sveitsistä tulee merenkulkumaa. Jokamiehen oikeuksista syntyy känää, kun kaupunkilaiset pääsevät vaivattomasti kulkemaan niityillä ja pelloilla.

Toisin kävi. Toistaiseksi on paljon vaikeampi ohjata ilmavirtoja kuin pyöriä.Brittiyritys Neoteric on tehnyt ilmatyynyaluksia Clarken kirjojen ilmestymisestä asti. Tyypillinen esimerkki tuotteista on nelipaikkainen alus, joka kulkee 56 kilometriä tunnissa ja kuluttaa polttoainetta yli 20 litraa satasella.

Jonakin päivänä ilmaa ehkä opitaan hallitsemaan niin, että Clarken haave pyörättömästä autosta toteutuu. Rank Xeroxin tutkija David Biegelsen työtovereineen rakensi kymmenen vuotta sitten laitteen, joka telojen sijasta kuljettaa paperia ilmasuihkuilla. Kiinnostavinta oli idea panna tuhannet ilmasuuttimet toimimaan kuin muurahaiset, ilman keskitettyä ohjausta mutta silti koordinoidusti.

Myöhemmin Biegelsenin tutkimuksesta ei ole kuulunut mitään. Idea ehkä ennakoikin tulevaisuutta.

Pyörätöntä tekniikkaa nyt– Taskulaskin– Monet tietokoneiden osat– Maglev-junat– Raketit – Laserit ja vesisuihkut sahojen ja porien tilalla

Pyörättömiä mahdollisuuksia–Magnetohydrodynaaminen generaattori–Magnetohydrodynaamiset propulsiokoneet potkurien tilalle laivoihin–Patoputkimoottorit nopeisiin lentokoneisiin, mukaan luettuna avaruuslentokoneet–Tietokone kokonaan ilman pyöriviä osia–Tulostin ilman pyöriviä osia–Ydinvoimala ilman pyöriviä ja muita liikkuvia osia

Mitä etua pyörättömyydestä?– Luotettavuus– Turvallisuus– Kulumattomuus– Pieni energiankulutus– Pienet mitat– Suuri nopeus– Automatisoinnin mahdollisuus

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

Sisältö jatkuu mainoksen alla