Vuodenvaihteen katsaus: Työtahdin autuus - vai kirous (kirjoitettu 31.12.2010)

Tervehdys kaikille!

Kyselin tuossa jokunen aika sitten parilta sähköalan koulutuksen saaneelta ja sähköasioiden kanssa päivittäin työskentelevältä tuttavaltani, että tietävätkö he kuka on keksinyt kolmivaihevaihtovirtajärjestelmän, jota nykyisin käytetään sähköenergian tuotannossa ja siirrossa lähes poikkeuksetta. Kumpikaan ei tiennyt. Thomas Edison oli kyllä tuttu, mutta Nikola Tesla ei muuten kuin siitä, että Tesla on SI-järjestelmän mukainen magneettivuon tiheyden yksikkö. Täytyy todeta, että sama oli tilanne myös omalla kohdallani peruskoulu-, lukio- ja korkeakouluopetuksen jälkeen ja vasta myöhemmän omatoimisen tutkiskelun avulla perehdyin Nikola Teslan aikaansaannoksiin ja muun muassa Teslan ja Edisonin välillä 1800-luvun lopulla käymään "sähkövirtojen sotaan" (http://fi.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edison). Eli lyhyesti tiivistettynä Edison oli kehittänyt ja patentoinut tasavirtajärjestelmän, josta olikin tullut alan standardi. Mutta Teslan kehittämä vaihtovirtajärjestelmä oli ominaisuuksiltaan ylivoimainen ja siksipä se syrjäyttikin Edisonin tasavirtajärjestelmän nopeassa tahdissa Edisonin voimakkaista vastatoimenpiteistä huolimatta. Tesla oli saanut hankittua avukseen monia varakkaita tukijoita ja niinpä vaihtovirtajärjestelmä kehittyi ja yleistyi nopeassa tahdissa. Kuten pienellä tutkiskelulla käy ilmi, niin Tesla jatkoi uusien ratkaisujen kehittelyä ja alkoi tutkia muun muassa langatonta sähköenergian siirtoa. Tämä tutkimus kulminoitui niin kutsuttuun Wardenclyffe-torniin, jonka Tesla rakensi New Yorkiin 1900-luvun alussa (http://en.wikipedia.org/wiki/Wardenclyffe_Tower). Teslan tavoitteena oli se, että kaikki ihmiset saisivat käyttöönsä sähköenergiaa vaivattomalla tavalla. Teslan rahoittajat olivat kuitenkin enemmänkin huolissaan siitä, että millä tavalla he voisivat laskuttaa ihmisiä sähköenergian käytöstä ja kun Teslalla ei ollut antaa tuohon kysymykseen tyydyttävää vastausta, niin lopulta Teslan tutkimustyön tahti hiipuikin rahoittajien vetäydyttyä. Samaan aikaan Teslan vaihtovirtapatentitkin alkoivat vanhentua ja siten Tesla ei saanut enää tuloa patenttioikeuksien myynnistäkään. Loppuelämänsä Tesla viettikin sitten köyhänä tutkijana. (http://fi.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla)

Kuten tuosta edellä kirjoitetusta käy ilmi, niin monet ihmiset työskentelevät erinäisten asioiden parissa opituilla ja opetetuilla tavoilla tietämättä juurikaan sitä, että miksi niin tehdään ja toimitaan. Asiat alkavat usein aueta aivan eri tavalla, kun perehtyy ensin hieman taustoihin ja siihen, että miten nykytilanteeseen on tultu. Yksi jokapäiväinen asia, jonka kanssa hyvin monet ihmiset ovat päivittäin tekemisissä on polttomoottori. Moni ei kuitenkaan tiedä, että millä tavalla se toimii, eikä varsinkaan sitä, että miten polttomoottori on kehittynyt ja miksi sitä käytetään edelleen tänäkin päivänä. Yritetäänpä valottaa tätä asiaa hieman.

Vasemmalla olevassa animaatiossa on esitetty nelitahtisen ottomoottorin eli lähes kaikkien bensiinikäyttöisten autojen konepellin alta löytyvän laitteen toiminta. Polttomoottorin keskeisin tekijä on työtahti, joka on animaatiossa merkitty vaiheena 3. Työtahdin aikana suljetussa sylinterissä (eli venttiilit ovat kiinni) oleva kaasuseos sytytetään ja palamisprosessin tuloksena syntyvät kaasut vaativat enemmän tilaa, mikä synnyttää paineen ja voiman, joka painaa mäntää alaspäin. Yksittäinen työtahti ei vielä paljoa auta, mutta kun sen saa toistettua riittävän usein ja riittävän nopeassa tahdissa, niin saadaan käyttökelpoista tehoa. Männän suoraviivainen liike ja voima muutetaan kampikoneiston avulla kampiakselin pyöriväksi liikkeeksi ja vääntömomentiksi, jota voidaan sitten hyödyntää monella eri tavalla - vaikkapa pyörittämään voimansiirron välityksellä auton pyöriä ja liikuttamaan autoa eteenpäin. Tiivistetysti voidaan sanoa, että kaikki muu polttomoottorissa onkin olemassa vain siksi, että työtahti voidaan toistaa riittävän usein ja riittävän nopeassa tahdissa. Tähän tarvitaan ensinnäkin kolme muuta animaatiossa näkyvää vaihetta eli imutahti (1), puristustahti (2) ja pakotahti (4). Näiden toteuttamiseksi tarvitaan mekaanisia rakenteita kuten animaation yläosassa näkyvä sylinterikansi imukanavineen (oikealla), pakokanavineen (vasemmalla), venttiileineen ja venttiilien käyttökoneistoineen. Venttiilejä oikea-aikaisesti avaamalla ja sulkemalla voidaan tarvittaessa avata ja sulkea yhteys sylinteristä imu- ja pakokanavaan, jotta nuo moottorin neljä toimintatahtia voidaan toteuttaa. Kaiken kaikkiaan siis aika monimutkainen laite, eikös vaan?

Mutta jätetäänpä polttomoottorin toiminnan tarkastelu nyt vielä hetkeksi odottamaan ja tarkastellaan hieman sitä, että millaisten vaiheiden kautta polttomoottori on kehittynyt. Polttomoottorin historian ymmärtämiseksi on syytä tarkastella ensin höyrykoneen historiaa. Käyttökelpoinen höyrykone kehittyi 1700- ja 1800-luvuilla. Höyrykoneen toiminta perustuu siihen, että painesäiliössä olevaa vettä lämmitetään, jolloin vesi höyrystyy ja tämä höyry voidaan ohjata vaikkapa polttomoottorin kaltaiseen mäntä- ja kampikoneistoon, jolloin höyryn paineen avulla voidaan tuottaa mekaanista työtä. Höyrykoneessa voidaan käyttää veden höyrystämiseen monia eri polttoaineita. Höyrykoneen suurin heikkous on sen huono hyötysuhde (muun muassa James Wattinkin tekemien parannusten myötä vain 10-15% polttoaineen palamisesta saatavissa olevasta energiasta voidaan muuttaa mekaaniseksi tehoksi) ja se, että varsinkin 1700- ja 1800-luvun tekniikalla toteutettuna höyrykoneista tuli väistämättä suuria, painavia ja kalliita laitteita. Tämä johti siihen, että höyrykoneen hankkiminen vaati paljon pääomaa, minkä myötä syntyi teollisuuslaitoksia ja ihmiset alkoivat jakautua omistavaan luokkaan ja työntekijöihin. Linkkejä: http://fi.wikipedia.org/wiki/H%C3%B6yrykone , http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_internal_combustion_engine

Juuri tuon edellä mainitun yhteiskunnan luokkautumisen kerrotaan olleen yksi keskeinen motiivi, minkä takia saksalainen Rudolf Diesel alkoi kehitellä uudentyyppistä voimanlähdettä, joka olisi höyrykonetta halvempi, kevyempi ja tehokkaampi siten, että käsityöläisten ei tarvitsisi työskennellä suurissa tehtaissa, vaan he voisivat hankkia itselleen oman voimanlähteen käyttämään omia laitteitaan. Ensisijaiseksi polttoaineeksi moottorilleen Diesel kaavaili hiilipölyä tai erilaisia kasviöljyjä. Polttomoottori on kehittynyt monen eri henkilön työn tuloksena, mutta kuten monissa muissakin keksinnöissä, niin tässäkin tapauksessa keksintö on vahvasti henkilöitynyt muutamaan ihmiseen, jotka ovat saaneet patentoitua polttomoottoreihin liittyviä olennaisia asioita. Rudolf Diesel on yksi heistä (http://fi.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Diesel). Toinen on saksalainen Nicolaus August Otto, jonka mukaan on nimetty ottomoottori eli kansan suussa yleensä tutummin "bensiinimoottori" (http://en.wikipedia.org/wiki/Nikolaus_Otto).

Polttomoottorin kehitys lähti liikkeelle pitkälti siitä ajatuksesta, että kun höyrykoneessa tuotettiin lämpöä ulkoisesti ja tämän lämmön avulla saatiin painesäiliössä oleva vesi höyrystymään ja laajenemaan, niin päästäisiin parempaan hyötysuhteeseen, kun polttoaineen palaminen tapahtuisi suljetussa palotilassa, jossa palamisprosessin myötä syntyvä kaasujen laajeneminen voitaisiin muuttaa suoraan männän liikkeeksi ja kampikoneiston avulla kampiakselille välittyväksi pyörimisliikkeeksi ja vääntömomentiksi. Tällä tavoin saataisiin aikaan höyrykonetta pienempi, kevyempi ja tehokkaampi voimanlähde, jota voitaisiin sitten käyttää esimerkiksi kulkuvälineiden moottorina. Polttomoottorien kehitys mahdollistikin sitten käyttökelpoisen auton kehittymisen ja myös moottorikäyttöisen ilmaa raskaamman lentokoneen kehittymisen. Raakaöljyn pumppaamisen ja jalostamisen myötä alkoi olla saatavilla polttomoottorille käyttökelpoista polttoainetta ja polttomoottorit alkoivatkin yleistyä nopeassa tahdissa syrjäyttäen höyrykoneet ja vallaten täysin uusia käyttökohteita. Usein kuitenkin unohtuu se, että vielä 1900-luvun alussa polttomoottori ei ollut mitenkään itsestään selvä vaihtoehto autojen voimanlähteeksi, sillä suuri osa autoista oli sähkökäyttöisiä ja osa jopa höyrykäyttöisiäkin. Polttomoottoreista ja öljyteollisuudesta alkoi 1900-luvun alussa kuitenkin kasvaa maailmanlaajuisesti merkittävä teollisuudenala ja seuraavien vuosikymmenien aikana polttomoottorikäyttöiset autot ottivat yhä hallitsevamman aseman, minkä myötä öljyteollisuudesta tuli yhä hallitsevampi tekijä maailmantaloudessa ja öljynjalosteiden myynnistä kertyvät verotulot ovatkin nykyään keskeinen tulolähde muun muassa monien valtioiden taloudessa.

Polttomoottori syntyi siis 1800-luvun lopulla ja käytännössä kaikki keskeiset polttomoottoriin liittyvät innovaatiot esiteltiin viimeistään 1900-luvun alkuvuosina. Tämän päivän teknologialla toteutettu bensiinikäyttöinen ottomoottori on keskeisiltä ominaisuuksiltaan edelleen samankaltainen kuin 1900-luvun alun moottorikin oli. Suuri osa palamisprosessissa vapautuvasta energiasta muuttuu lämmöksi ja parhaimmillaankin vain noin 40% eli alle puolet polttoaineen palamisesta saatavissa olevasta energiasta muuttuu moottorissa mekaaniseksi akselitehoksi. Näin on siitä huolimatta, että tavoitteena on saada aikaan mahdollisimman paljon akselitehoa. Osa tästä hukkalämmöstä voidaan hyödyntää kylmänä vuodenaikana auton sisätilojen lämmittämiseen, mutta suurin osa siitä täytyy haihduttaa muulla tavoin, jotta moottori ei ylikuumenisi ja vaurioituisi. Tätä varten tarvitaan jäähdytysjärjestelmä eli tyypillisesti jäähdytysnestekanavat moottorissa, jäähdytysnestepumppu, termostaatti, jäähdytin puhaltimineen sekä tarvittavat putket ja letkut. Osa polttoaineen palamisen synnyttämästä energiasta kuluu moottorin sisäisten kitkojen voittamiseen, esimerkiksi venttiilikoneiston käyttämiseen.

Polttoaineen palaminen sylinterissä synnyttää pakokaasuja, joista monet ovat ympäristölle haitallisia. Näiden päästöjen vähentämiseksi käytetään bensiinikäyttöisissä moottoreissa nykyään katalysaattoria, jonka kautta kulkiessaan pakokaasut muuttuvat ympäristölle vähemmän haitalliseen muotoon. Jotta tämä prosessi toimisi halutulla tavalla, niin sylinteriin menevässä kaasuseoksessa täytyy olla mukana täsmälleen sopiva määrä polttoainetta ilman määrään nähden. Tämä määrä vaihtelee moottorin pyörintänopeuden ja kuormituksen mukaan ja siksipä nykyisissä moottoreissa käytetään poikkeuksetta tietokoneohjattua säätölaitteistoa, joka ohjaa imusarjaan suihkutettavan polttoaineen määrää ja sytytyksen ajoitusta.

Pikaisesti kerrattuna nelitahtisen ottomoottorin työkierto on siis seuraavanlainen. Imutahdin (1) aikana imuventtiili avautuu ja sylinteriin imetään imukanavasta palamiskelpoista polttoaineen ja ilman seosta (sininen). Tämän seoksen muodostamista varten tarvitaan tietenkin polttoainetta eli useimmiten bensiiniä. Bensiini varastoidaan polttoainesäiliöön ja sieltä se kuljetetaan pumpun avulla putkistoa pitkin polttoaineenannostelulaitteistolle, joka suihkuttaa sen hienojakoisena sumuna sopivalla annostelulla sylinteriin imettävän ilman joukkoon. Puristustahdin (2) aikana venttiilit ovat kiinni ja sylinteri muodostaa suljetun tilavuuden, jossa ylöspäin nouseva mäntä puristaa sylinterissä olevaa seosta kokoon. Tämä kaasuseoksen kokoonpuristaminen vaatii ulkopuolista työtä, joka saadaan joko kampiakselin päähän sijoitettuun vauhtipyörään varastoituneesta energiasta tai saman moottorin toisessa sylinterissä samanaikaisesti tapahtuvasta työtahdista. Työtahdin (3) aikana polttoaine-ilmaseos palaa palotilassa ja kun venttiilit ovat suljettuina, niin palamisprosessin tuloksena syntyvä kaasujen tilavuuden kasvu ja sen synnyttämä paineen nousu pakottaa männän liikkumaan alaspäin. Työtahdin jälkeen mäntä on alakuolokohdassa ja sylinteri on täynnä pakokaasua. Pakotahdin (4) aikana sylinteristä pakokanavaan johtava pakoventtiili avautuu ja ylöspäin liikkuva mäntä työntää työtahdin aikana sylinteriin muodostuneet pakokaasut pakokanavaan.

Polttomoottori on siis kehittynyt ajatuksesta siirtää höyrykoneesta tuttu polttoaineen palamisprosessi tapahtumaan suljetussa palotilassa, jolloin palamisprosessin synnyttämä paineen nousu voidaan muuttaa suoraan männän liikkeeksi ja kampiakselin akselitehoksi. Tarkasteltaessa asiaa toisesta näkökulmasta moottoriin tarvittaisiin siis toistettava prosessi, jossa "palotilassa" oleva kaasuseos laajenee työntäen mäntää alaspäin ja sen jälkeen supistuu, jolloin mäntä voi jälleen liikkua ylöspäin. Tämän prosessinhan ei tarvitse välttämättä olla palamisprosessi, mikäli tarvittava ilmiö saadaan aikaan jollakin muulla tavalla. Mikä sitten olisi tuo tapa? Yksi mahdollinen vaihtoehto on se, että suljetussa "palotilassa" oleva kaasuseos muutetaan sopivan sähköisen ja ehkä radioaktiivisenkin ärsykkeen avulla plasmatilaan, jolloin sen tilavuus kasvaa ja tilavuuden kasvaessa plasma jäähtyy ja muuttuu jälleen kaasuksi ja palautuu alkuperäiseen tilavuuteensa. Tällä periaatteella toimiva moottori on patentoitukin USA:ssa jo vuonna 1972 (Josef Papp, "Method & Means of Converting Atomic Energy Into Utilizable Kinetic Energy", http://www.google.com/patents/about?id=dHk4AAAAEBAJ&dq=3670494) ja ensimmäisten prototyyppienkin kerrotaan valmistuneen jo 1960-luvulla. Jos tuollainen moottori on todellinen ja olemassa, niin miksi sellaista ei sitten ole markkinoilla?

Yksi este Papp-moottorin kaupallistumiselle on ollut se, että moottori voi toimia yhdellä sylinterien kaasutäydennyksellä jopa useiden kuukausien ajan tuottaen akselitehoa noin sata kertaa enemmän kuin mitä ilmiön ylläpitämisen edellyttämä sähköinen ärsytys kuluttaa. Tätä ilmiötä on vaikea selittää nykyisen tiedekäsityksen avulla. Papp teoretisoi patentissaan moottorin toimivan sylinterissä olevan kaasuseoksen heliumatomien välillä tapahtuvien fuusioreaktioiden avulla. Ydinfyysikot pitävät kuitenkin mahdottomana, että sylinterissä vallitsevissa olosuhteissa voisi tapahtua ydinfuusioreaktio. On myös syytä muistaa se, että ilmiöön liittyy kaasun muuttuminen plasmaksi ja plasman olemusta ei juurikaan ymmärretty vielä 1970-luvulla. Esimerkiksi tuossa Pappin vuoden 1972 patentissa ei mainita lainkaan sanaa "plasma". Eipä siis ole ihme, että Pappilla oli vaikeuksia saada keksintöään edistettyä. Lisäksi Pappin kerrotaan olleen hankala persoona ja epäilleen jatkuvasti, että joku aikoo varastaa hänen keksintönsä. Papp työskentelikin usean eri tahon kanssa aina vuoteen 1989 saakka, jolloin hän menehtyi paksusuolensyöpään.

Tällä hetkellä tämän tyyppisen moottorin kehitystyötä tekee PlasmERG-niminen yritys (http://www.plasmerg.com). PlasmERGiä vetää John Rohner, joka on Pappin kanssa 1980-luvulla yhteistyötä tehneen koneistajan Robert Rohnerin veli. John Rohner kertoo veljensä Robertin pyytäneen häntä 1980-luvun alussa suunnittelemaan silloin rakenteilla olleeseen kaksisylinteriseen Pappin moottoriin sopivan sähköisen ohjainyksikön. John olikin suunnitellut sen, mutta oli ollut niin kiireinen muiden töidensä ja perheensä parissa, että ei ollut silloin päättänyt osallistua projektiin millään muulla tavalla. Tuohon aikaan bensiini oli halpaa, joten uudenlaisia energiantuottotapoja pidettiin usein mielenkiintoisina tutkimuskohteina ilman sen suurempaa kaupallista potentiaalia. Tähän saakka PlasmERG on toiminut pitkälti John Rohnerin ja muutaman hänen ystävänsä henkilökohtaisen rahoituksen turvin, mutta toimintaa on tarkoitus laajentaa merkittävästi vuonna 2011. PlasmERG on jättänyt vuoden 2010 loppuun mennessä useita teknologiaan liittyviä patenttihakemuksia ja kansainvälisen yhteistyöverkoston kautta on myös jätetty kansallisia patenttihakemuksia useassa eri valtiossa. PlasmERG on keskittynyt erityisesti kehittämään moottorin sähköistä ohjausjärjestelmää, joka on uusimmissa versioissa täysin tietokoneohjattu ja kehitetty sellaiseksi, että sylinterissä ei enää tarvita heikosti radioaktiivista materiaalia sisältäviä "kupuja", jollaiset olivat Pappin moottoreissa ja PlasmERGinkin aiemmissa prototyypeissä. Sähköisen ohjainyksikön tulee olla yhteensopiva moottorissa käytettävän kaasuseoksen kanssa ja kehittynyt ja sopeutuva ohjainyksikkö mahdollistaa täysin uudentyyppisten kaasuseoksien käytön. Siksipä PlasmERG kehittää myös parannettuja kaasuseoksia.

Papp-moottorin kehitykseen liittyy monenlaisia koukeroita ja laillisia epäselvyyksiä. Siksipä esimerkiksi John ja Robert Rohner keskustelevat tällä hetkellä vain lakimiestensä välityksellä. Mutta mikäli PlasmERG-moottorista tulee kaupallinen tuote, niin sillä voisi olla seuraavanlaisia ominaisuuksia:

Eikö kuulostakin aika hyvältä? Nii-in, paitsi ehkä jos haluaa edelleen myydä öljyä ja bensiiniä ja kerätä niistä verotuloja...? PlasmERG vertaa moottorin toimintaa siihen, että sylinterissä syntyy keinotekoinen salama ja se plasmaksi muuttuvan kaasun tilavuuden kasvu, joka salamassa synnyttää jyrinänä havaittavan ilmamassan liikkeen, muutetaan tässä moottorissa mäntä- ja kampikoneiston avulla akselitehoksi. Se, että mistä prosessin välittämä energia todella on peräisin, onkin sitten seikka, jota nykyinen "koulutiede" ei pysty selittämään. Sama mekanismi on kuitenkin läsnä myös luonnollisessa salamassa. Joidenkin äskettäisten tutkimusten mukaan salamoinnin yhteydessä on yllättäen havaittu merkkejä "antimateriasta" (http://www.wired.com/wiredscience/2009/11/antimatter-lightning/) ja itse olenkin sitä mieltä, että energia on peräisin ns. "eetteristä", jonka olemassa oloa nykyinen vallitseva tiedekäsitys ei tue. Mutta ehkäpä, jos PlasmERG-moottori kaupallistuu, niin tulemme näkemään myös uudenlaisia tieteellisiä selityksiä?

Loppukommenttina toteaisin, että suosittelen kaikille perehtymistä myös asioiden historiaan ja taustoihin. Oppilaitoksissa opetetaan asiat usein tietyllä vakioidulla tavalla ilman sen parempaa perehdyttämistä asioiden taustoihin. Opiskelin itse aikoinani polttomoottoritekniikkaa Teknillisessä Korkeakoulussa Otaniemessä ja kerran kun joku opiskelija oli löytänyt mielenkiintoisen artikkelin jostakin uudentyyppisestä moottorikeksinnöstä, niin professorimme totesi, että ei kannata lähteä muuttamaan polttomoottoria mitenkään radikaalisti, vaan täytyy keskittyä tekemään siitä mahdollisimman hyvä. Tuollainen näkemys ei kyllä kovin paljoa tue innovatiivisuutta, sillä useinhan merkittävä innovaatio syntyy silloin, kun yhdistää kaksi asiaa aivan uudella tavalla ja pystyy ajattelemaan asiaa täysin uudella tavalla. Mutta katsotaanpa nyt mielenkiinnolla, mitä vuosi 2011 tuo tullessaan. Hyvää ja Menestyksekästä Uutta Vuotta kaikille!

Olli P Taina