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.

Sähkö voittaa liikkeen

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.

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.