Skip to header Skip to main navigation Hyppää pääsisältöön Skip to footer

Main navigation

  • Etusivu
  • Aihealueet
    • Avaruus
    • Tiede
    • Tekniikka
    • Luonto ja ympäristö
    • Terveys ja lääketiede
    • Ihmiset
    • Taide
    • Paikkoja
    • Arvioita
  • Videot ja podcastit
  • Uusimmat jutut listana
  • Jutturuletti
  • Tiedekiinnostavuuskartta
Tiedetuubi

Ihanaa: akku, joka ei räjähdä

Litiumpolymeeriakku
Litiumpolymeeriakku
Jari Mäkinen

Niitä on nykyisin joka puolella, isompia ja pienempiä: litiumpolymeeriakkuja.

Kun känny räjähtää, Tesla-sähköauto syttyi tuleen tai Boeingin uudet Dreamlinerit pysyivät maassa kuukausikaupalla, oli syypää akkutekniikka. Tarkemmin sanottuma akku, joka ylikuumeni ja leimahti liekkeihin. Litiumiin perustuvalla akkutekniikalla on ikävä taipumus syttyä tuleen, jos lataamisessa menee jokin vikaan. Siksi litiumioniakut tarvitsevat lähes elektroniikkaa, joka valvoo jatkuvasti akuston kennojen jännitettä ja lämpötilaa sekä tasaa kennojen varausta. 

Nyt Pohjois-Carolinan yliopiston Chapel Hillin kampuksen tutkijan Joseph DeSimonen vetämä tutkimusryhmä on keksinyt uudenlaisen polymeerin, mikä kesyttää akkupalot. Ainakin toivottavasti. Keksintö on periaatteessa yksinkertainen, mutta käytännössä vaikea temppu korvata akkujen etästabiilit ja siksi paloherkät aineet rauhallisesti käyttäytyvällä polymeerillä.

Suurin osa nyt käytössä olevista litiumioniakuista on jo polymeeriakkuja. Niissä litium on polymeerissä orgaanisen liuottimen sijaan. Verrattuna aikaisempiin litiumioniakkuihin polymeeriakut ovat helposti muotoiltavissa, ne ovat lujempia ja edullisempiua valmistaa.

Kummassakin tapauksessa akun toiminta perustuu siihen, että akun positiivinen elektrodi (katodi) on valmistettu litiumoksidista ja negatiivinen (anodi) grafiitista tai muusta hiilipohjaisesta aineesta. Kun akku latautuu, litiumionit kulkevat anodista katodiin, ja varauksen purkautuessa liikenne on toiseen suuntaan. Ioniliikenne tapahtuu akun sisällä elektrolyyttiaineessa. Yleisesti elektrolyyttinä käytetty aine on dimetyylikarbonaatti, joka on hyvin ionirikasta ja sopii tehtävään erinomaisesti, paitsi että sillä on yksi ikävä ominaisuus: se on hyvin paloherkkää jopa huoneenlämmössä.

Metailleista kaikkein kevyimmällä litiumilla on suurin sähkökemiallinen jännite ja siksi sen energiatiheys on suuri, mutta myös se on kemiallisesti erittäin reaktiivinen. Litium siis reagoi voimakkaasti muiden aineiden kanssa – eli syttyy helposti tuleen. Yhdessä paloherkän elektrolyytin kanssa se on tehokas, mutta ei kovin mielekäs kumppani. Hyvien ominaisuuksien vuoksi niiden kanssa on pitänyt vain osata tulla toimeen.

Pienissä akuissa käytetään pieniä määriä ja lataukset ovat hyvin pieniä, joten paloherkkyys ei ole ongelma. Sen sijaan suurempia varausmääriä ja tehoja käytettäessä, siis esimerkiksi autoissa (kuten Tesla) ja lentokoneissa (kuten Dreamliner), paloherkkyys on otettava huomioon. Olennaisinta on valvoa koko ajan akun latausta ja toimintaa, ja katkaista lataus, jos lämpötila alkaa nousta.

Yllä olevassa kuvassa matkapuhelimen sisällä oleva, normaalisti hyvin ohut akku on paisunut virheellisen latauksen vuoksi. Se on kuuma ja voi syttyä leimahtaen tuleen milloin tahansa.

Ei tullut kotilokarkoitinta, vaan akkupolymeeri

Tutkijoiden alkuperäinen tavoite oli löytää luonnollinen materiaali, joka estäisi kotiloiden ja meressä olevien eläinten kiinnittymisen laivojen runkoihin. Niiden häätämiseen käytetään nykyisin monenlaisia varsin myrkyllisiäkin aineita.

Kun he testasivat kehittämäänsä ainetta, perfluoropolyeetteriä, joka tunnetaan tuttavallisesti myös lyhenteellä PFPE, he huomaisivat sen liukenevan helposti litiumsuolaan. Suurin osa polymeereistä ei sekoitu lainkaan suolan kanssa, mutta tämä sekoittui.

PFPE ei sinällään ole mikään uusi aine, sillä sitä on käytetty mm. osana voiteluaineita jo pitkään.

Tutkijaryhmä keksi, että polyetyleeniglygoli (PEG) ja PFPE voisivat yhdessä toimia erinomaisena elektrolyyttinä. Kun he yhdistivät sitten nämä dimetyylikarbonaatin – akkujen "alkuperäisen", paloherkän elektrolyytin – kanssa, oli tuloksena hämmästyttävä aine. Se ei ollut vain stabiili ja turvallinen, vaan myös olennaisesti tehokkaampi kuin alkuperäinen elektrolyytti. 

Sitä käyttämällä akku latautuu nopeasti ja sen energiatiheys on paljon aiempaa suurempi. "Parannus on tajuttoman suuri", toteaa DeSimone akateemisesti.

Mikäli sähköauton, kuten kuvassa olevan Nissan Leafin, akut korvattaisiin PFPE-dimetyylikarbonaattiakuilla, voisi akkupaketti olla olennaisesti pienempi. 

"Kaikkein tehokkain yhdiste olisi litium ja ilma, jonka energiatiheys olisi bensiinin luokkaa", jatkaa DeSimone: “monet ovat koittaneet tehdä sellaista, mutta litium ja happi eivät tule hyvin toimeen keskenään.”

Uudella PFPE-elektrolyytillä päästään lähelle tätä.

Markkinoille uudet akut päässevät tosin vasta parin vuoden päästä, sillä tekniikan muokkaaminen sarjatuotantoon kestää oman aikansa. Ensimmäiset sovelluskohteet ovat todennäköisimmin ilmailussa ja merikäytössä, sillä kaiken muun hyvän lisäksi uusi akkutekniikka kestää aiempia paremmin äärimmäisiä sääolosuhteita.

Juttu perustuu UNC Chapel Hillin tiedotteeseen Researchers build nonflammable lithium ion battery. Tutkimus akuista on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä 10. helmikuuta.

Läpimurto fuusioenergiassa

Fuusiokoelaitoksen lasersäteen esivahvistimia
Fuusiokoelaitoksen lasersäteen esivahvistimia
Kohdennusapu
Jari Mäkinen

Fuusioreaktori olisi lähes täydellinen voimalaitos: se tuottaisi valtavasti energiaa ja päinvastoin kuin nykyiset fissiovoimalat, häiriötilanteessa niissä ydinreaktio sammuisi itsestään.

Tosin tämä automaattinen sammuminen liittyy myös siihen, että reaktion saaminen käyntiin on hyvin vaikeaa. Ongelmana on toistaiseksi ollut se, että koelaitoksissa fuusioreaktion käynnistäminen on vaatinut enemmän energiaa kuin se on lopulta tuottanut. Tätä kohden on otettu askeleita pääasiassa Yhdysvalloissa ja Euroopassa olevilla koelaitoksilla, ja "ennätystä" on pitänyt hallussaan Iso-Britannian Oxfordshiressä sijaitseva JET, Joint European Torus, yhteiseurooppalainen fuusiotutkimuslaitos, joka on lajissaan edelleen maailman suurin. Siellä 16,1 MW:n käynnistysenergialla saatiin fuusioreaktiossa tuotettua 10 MW. Reaktio oli myös jatkuva, tosin vain puolen sekunnin ajan.

Nyt Kalifornian Livermoressa sijaitsevassa Yhdysvaltain puolustusministeriön alaisessa kansallisessa laboratoriossa on onnistuttu saamaan voittoa tässä energiatasapainopelissä. Kyseessä on läpimurto ydinfuusion saamisessa oikeasti käyttöön. Nature-lehden helmikuun 12. päivän numerossa julkaistussa artikkelissa LLNL:n (Lawrence Livermore National Laboratory) tutkijat kuvailevat, miten keskuksessa sijaisevassa fuusiotutkimuslaitoksessa onnistuttiin käynnistämään fuusioreaktio, mikä sai aikaan olennaisesti aiempia parempia tuloksia ja tuotti enemmän energiaa kuin käynnistäminen vaati.

Laitoksen nimi kuvaa hyvin sen tehtävää: vapaasti suomennettuna National Ignition Facility (NIF) on "kansallinen sytytyslaitos".

Sytyttäminen hoidetaan laitoksessa 192 voimakkaalla lasersäteellä, jotka kohdistettiin noin kaksi millimetriä halkaisijaltaan olleeseen pieneen muovikapseliin (kuva alla), jonka sisällä oli fuusiopolttoaineena vedyn kahta raskasta isotooppia, deuteriumian ja tritiumia. Lasersäde paitsi kuumentaa, niin myös samalla puristaa polttoainekohtiota pienemmäksi, jolloin fuusioreaktio syttyy. Tutkijat onnistuivat nyt tiivistämään sitä niin paljon, että olosuhteet reaktion syttyminen aikaan vastasivat noin kolminkertaisesti tiheyttä Auringon sisällä.

Fuusioreaktiossa, kuten Auringossa, kevyet atomityimet yhtyvät raskaammiksi. Nyt deuretium ja tritium fuusioituivat heliumiksi, jolloin samalla syntyy neutroni ja alfahiukkanen.

Aiemmissa fuusiokokeissa ei reaktiossa syntyvää energiaa ole pystytty ottamaan kunnolla käyttöön reaktion jatkumiseksi, vaan energia on päässyt suurelta osin karkaamaan harakoille. Nyt reaktiossa syntyneet alfahiukkaset kuumensivat edelleen polttoainetta, jolloin fuusioreaktio kiihtyi ja sai aikaan edemmän alfahiukkasia, jotka puolestaan synnyttivät lisää reaktioita. Näin pysyvä fuusioreaktio pääsi käynnistymään pienen polttoainekapselin sisällä ja tehotuotto saatiin noin kymmenen kertaa paremmaksi kuin aiemmissa fuusiokokeissa.

Lasertekniikan paranemisen ohella tutkijat kiinnittivät nyt huomiota yksinkertaisesti siihen, ettei polttoainetta sisältäneen kapselin muoviseinät päässeet rikkoontumaan liian aikaisin. Tämä onnistui paitsi parantamalla kapselia sinällään, niin myös kohdistamalla lasersäteet siihen tasaisesti ja hallitsemalla lasersäteiden pulsseja aiempaa täsmällisemmin.

Alla on yksi säteiden tarkkaan kohdentamiseen käytetyistä apuvälineistä.

Kohdennusapu

Ensimmäiset kokeet uudella laitteistolla tehtiin viime syyskuussa ja marraskuussa, mutta silloin ne eivät vielä tuottaneet energiaa siinä määrin kuin toivottiin, vaikkakin tulokset olivat jo hyvin lupaavia. Verrattuna polttoaineen energiasisältöön, sitä jäi vapautumatta varsin paljon.

Niinpä tutkijat väänsivät lasereistaan vielä enemmän tehoa irti ja ampuivat kohtiota viime vuoden toukokuusta alkaen kaksinkertaisella energialla.

Paitsi että reaktiossa saatiin nyt tuotettua energiaa enemmän kuin aikaisemmin, vastasi koe myös aikaisempia kokeita tarkemmin tietokoneilla tehtyjä teoreettisia mallinnoksia. Tämä auttaa tutkijoita parantamaan ydinfuusion matemaattisia malleja ja siten suunnittelemaan tarkemmin tulevia kokeita. 

Tavoitteena on luonnollisesti hallittu, koko ajan jatkuva fuusioreaktio, jota voitaisiin pitää yllä polttoainetta reaktioon lisäämällä samaan tapaan kuin liekkiä hiilivoimalassa hiiltä pesään lapioimalla.

Tässä olennaisessa roolissa on ITER, eteläiseen Ranskaan, Cadaracheen, rakenteilla oleva kansainvälinen koefuusioreaktori. Siitä tulee ensimmäinen suurikokoinen, oikean voimalaitoksen kokoluokkaa oleva tutkimusreaktori. Sen ytimenä olevan tokamakin, donitsin muotoisen tyhjökammion, jonka sisällä fuusioreaktio tapahtuu voimakkaan magneettikentän hallitsemana, rakentaminen alkoi viime vuonna ja laitos käynnistyy toivottavasti vuonna 2020.

Kuvat ja taustatiedot kokeesta: Lawrence Livermore National Laboratory

Tulevaisuuden tietotekniikkaa: Järjestetyt kvanttipisteet nanorakenteiden perustana

Markus Hotakainen

Mikroprosessoreiden laskentateho kaksinkertaistuu Mooren lain mukaan 18 kuukaudessa. Piipohjaisten prosessorien kehityskaaressa tehon kasvu on saavutettu transistorien nopeutta kasvattamalla sekä varsinkin niiden kokoa pienentämällä. Fysiikan lakien asettamat rajat ovat kuitenkin tulossa vastaan: prosessorien hukkalämpö ja kvanttimekaaniset vuotovirrat ohuiden eristekerrosten läpi estävät piitransistorien koon pienentämisen. Niinpä tutkijat ovat suunnanneet mielenkiintonsa uudenlaisiin ratkaisuihin turvatakseen kasvavien tietomäärien käsittelyyn vaadittavan laskentatehon myös tulevaisuudessa.

Mahdollisia piiprosessorien korvaajia ovat puolijohdekvanttipisteisiin perustuvat kvanttitietokoneet ja täysin optiset mikropiirit. Kvanttipisteiden hyödyntäminen näissä sovelluksissa vaatii kuitenkin, että ne voidaan sijoittaa tarkalleen oikeaan paikkaan muuhun piiriarkkitehtuuriin nähden. Teemu Hakkarainen on tutkinut väitöstyössään järjestettyjen puolijohdekvanttipisteiden kasvattamista kvanttioptiikan ja täysin optisen tietotekniikan sovelluksiin.

Tampereen teknillisen yliopiston optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa puolijohdekvanttipisteitä kasvatetaan nanorakenteiselle pinnalle. Näin kvanttipisteet pakotetaan tarkalleen haluttuihin paikkoihin, vaikka ne luontaisesti muodostuvat täysin satunnaisiin kohtiin. Tästä tutkimuksesta syntyi diplomi-insinööri Teemu Hakkaraisen väitöskirja.

Hakkarainen tutki väitöstyössään myös järjestettyjen kvanttipisteiden fysikaalisia perusominaisuuksia. Sopivalla pintarakenteella voidaan esimerkiksi vaikuttaa kvanttipisteiden muotoon, kemialliseen koostumukseen sekä hilajännitykseen, jotka määräävät kvanttitilojen energiat sekä niiden säteilemän valon ominaisuudet.

"Nanorakenteissa pienetkin ilmiöt saavat aikaan suuria muutoksia. Kvanttipisteen tiloja hallitaan yhdellä elektroni-aukko-parilla ja se säteilee valoa yhden fotonin. Tarvitaan siis erittäin herkkiä mittausmenetelmiä", Hakkarainen kertoo.

Väitöskirjassaan hän osoittaa, että TTY:n optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa kehitetyllä menetelmällä voidaan hallita kvanttipisteiden kasvuprosessia heikentämättä niiden optista laatua. Nanokuvioiden hyödyntäminen kasvatuksessa antaa myös uuden keinon kvanttipisteiden ominaisuuksien räätälöimiseen. Hakkaraisen mukaan esimerkiksi niiden säteilemän valon polarisaatiota voidaan hienosäätää nanokuvion suuntaa muuttamalla.

Hakkaraisen väitöskirja koostuu seitsemästä artikkelista, jotka on julkaistu kansainvälisesti arvostetuissa tiedelehdissä. Uusien nanomateriaalien tutkimuksessa se täyttää aukkoa teknologian ja perustutkimuksen välillä.

*****

Diplomi-insinööri Teemu Hakkaraisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Site-Controlled Epitaxy and Fundamental Properties of InAs Quantum Dot Chains ("InAs kvanttipistejonojen järjestetty valmistaminen ja perusominaisuudet") tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 25.1.2014. Väitöskirjaan voi tutustua täällä. Teksti perustuu TTY:n tiedotteeseen.

Kuva: Lasse Orsila

 

Tekniikan päivien teemana ilma

Markus Hotakainen

Tekniikan päivät 2014 järjestetään Otaniemen Dipolissa 16.–18. tammikuuta. Joka toinen vuosi pidettävän tapahtuman teemana on tällä kertaa ilma.

Tapahtuman avajaisten juhlapuhujana on Ilmatieteen laitoksen pääjohtaja Petteri Taalas, joka johdattaa kuulijat ilmastonmuutosteemaan otsikolla Faktaa ja fiktiota ilmastomuutoksesta. Pääteeman alla käsitellään ilmastonmuutoksen lisäksi aerodynamiikkaa, akustiikkaa, avaruutta ja ilmakehää, hyvää sisäilmaa, ilmailua, säätä ja ilmastoa sekä tiedonsiirtoa ilmassa.

Tänä vuonna tekniikan päivien ohjelmassa on noin 100 miniluentoa, jotka pureutuvat vuoden teemaan useasta näkökulmasta. Luennoilla tekniikan ja luonnontieteiden tutkijat kertovat työnsä tuloksista ja siitä, miten tieteen tuloksia sovelletaan käytäntöön.

Kansainvälisenä kutsupuhujana toisen tapahtumapäivän avaa hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin Kasper Plattner, joka työskentelee IPCC:n uusimman arviointiraportin ensimmäisen osaraportin Technical Support Unit -ryhmässä. Hän luennoi tapahtumassa syyskuussa 2013 julkaistun ensimmäisen osaraportin pääkohdista.

Luentojen lisäksi ohjelmassa on myös paljon muuta ohjelmaa koko perheelle. Tapahtuma on maksuton.          

Ilmatieteen laitoksen tiedote löytyy täältä ja koko ohjelma Tekniikan päivien verkkosivuilta.

 

 

 

Kantosiipipurjevene Airo toi voiton Suomeen

Airo -kantosiipipurjevenekonsepti
Airo -kantosiipipurjevenekonsepti
Yläkuva Airo-veneestä
Jari Mäkinen
Lahden ammattikorkeakoulun, Muotoilu- ja taideinstituutin teollisen muotoilun opiskelijat Oliver Lehtonen, Tatu Henell ja Karoliina Paulus voittivat arvostetun italialaisen venesuunnittelukilpailun, Millennium Yacht Design Awardin omalaatuisella kantosiipipurjevenekonseptilla.

Aero-ja hydrodynamiikka estottomasti sekoittava Airo -niminen kantosiipipurjeveneen suunnitelma sai arvovaltaiselta tuomariraadilta kiitosta erityisesti nerokkaasta kokoonpanostaan ja esteettisestä ulkonäöstään.

"Tavoitteena oli kehittää tuote kasvaville vapaa-ajan ja elämysurheilun markkinoille", jo muotoilijana mainetta niittämään ehtinyt Oliver Lehtonen. "Moth -luokan purjeveneet herättivät kiinnostuksen tutkia purjehdusurheilun uusia tuulia, jotka ovatkin laajentaneet lajiin kohdistuvaa mielenkiintoa. Tästä esimerkkinä America´s cup ja huipputekniset AC-72-purjeveneet tai ennemminkin ”purjekoneet”, jotka ovat vieneet perinteisen lajin uudelle tasolle."

Opsikelijat tutkivat veneiden nykyistä olemuksta ja suunnittelua määrittäviä tekijöitä ja keskittyivät siinä aerodynamiikkaan, jolloin idea ottaa mallia paperilennokista syntyi.

”Huomasimme että jotta voisi liikkua mahdollisimman lujaa ja vaivattomasti vedessä, täytyy päästä mahdollisimman korkealle sen veden pinnan yläpuolelle”, Lehtonen kuvailee ja jatkaa, “siitä syystä jouduimme paneutumaan myös aerodynamiikkaan, perinteisen hydrodynamiikan lisäksi."

Hiottu esteettinen ulkonäkö ei ollut opiskelijoille tavoite sinällän, vaan itsestäänselvyys. Tavoitteena oli myös kauniin konseptin lisäksi suunnitella jo oikeasti käyttökelpoinen vene: “Suunnittelun loppuvaiheessa kiinnitimme huomiota erityisesti käyttäjän näkökulmaan ja purjeveneen kuljetettavuuteen, jotta veneellä myös purjehdittaisiin mahdollisimman paljon. Materiaaleiksi valitsimme korkealuokkaiset komposiitit vastaamaan vaativan käytön asettamia haasteita", Lehtonen jatkaa.

"Suunnitteluprosessi kesti intensiivisesti kolme kuukautta ja konseptia hiottiin tämän jälkeen vuoden ajan, kunnes tämän kilpailun deadline sattui sopivasti kohdalle."

Ryhmä lähtee nyt helmikuussa Italiassa järjestettäville venealan messuille hakemaan palkintoa ja esittelemään voitokasta konseptiaan.

"Konsepti on herättänyt internetissä laajaa kiinnostusta ja yhteydenottoja on tullut kilpapurjehtijoilta ja toimittajilta. Maailmasta löytyy muutamia samantyyppisiä purjeveneitä valmistavia yrityksiä ja konseptin tuotteistus valmiiksi asti tulevaisuudessa ei ole poissuljettu suunnitelma. Esittelemme konseptia messuilla ja toivottavasti kipinä jatkokehittelyyn löytyy yhteistyötahojen kanssa."
 

Kyseessä oli jo kolmas kerta, kun Lahden Muotoiluinstituutti on napannut palkinnon. Instituutti ei opeta erityisesti venesuunnittelua, mutta sillä on vahvat perinteet teollisessa suunnittelussa sekä ajoneuvomuotoilussa, mikä näkyy oppilaiden laajassa kansainvälisessä menestyksessä näillä aloilla.

Yläkuva Airo-veneestä

Taipuvat siivet – A350 ääritestissä

A350:n siivet taipuvat
A350:n siivet taipuvat
A350:n kolmas koelentokone
Toimitus

Metallihäkkyrän keskellä on eurooppalaisen liikennelentokonevalmistajan uusin konetyyppi, A350, jonka siipiä on taivutettu päistään yli viisi metriä ylös. Ja ne kestävät tämän rääkin.

Kyseessä on yksi uuden liikennelentokoneen äärimmäisistä testeistä, missä lentokoneen rakenteellisiin testeihin käytettävää, täysin lentokelpoista konetta vastaavaa kappaletta kuritetaan yli 1,5 -kertaisella rasituksella verrattuna siihen, mitä kone teoreettisesti tulee koskaan kokemaan liikenteessä ollessaan. Mikään tiedossa oleva turbulenssi ei esimerkiksi tule taivuttamaan koneen siipiä näin runsaasti – se olisikin näyttävän näköistä, jos kone räpyttäisi töyssyisessä lentosäässä siipiään kymmenkunta metriä ylös ja alas linnun tapaan!

Koejärjestely tehtiin viime joulukuussa A350:n Toulousessa testihallissa olevalla kappaleella, joka käy lyhyessä ajassa läpi konetyypin koko lentoikänään kokemat rasitukset nousuista ja laskeutumisista aina näihin ääritilanteisiin. Siipiä ja runkoa taivutettiin tässä kokeessa vaijerein luonnollista lentotilannetta vastaavasti ja ympäri koneen rakennetta olevista sensoreista mitattiin kymmeniä tuhansia lukemia. Lukuarvoja verrataan sitten tietokoneissa koneen rakennemalliin ja arvioidaan sen suorituskykyä myös vieläkin rajummissa oloissa. Lisäksi rakenne luonnollisesti tarkastettiin visuaalisesti.

Jo aiemmin joulukuussa runko ylikuormattiin ja sen kantokyky mitattiin äärirajoille saakka.

Kolme koekonetta pian ilmassa

Maassa tehtävien testien lisäksi koelentoja tehdään parhaillaan kahden, pian kolmen koneen voimin. Numero 3, itse asiassa toisena lentänyt kone, on parhaillaan Boliviassa korkean paikan leirillä. Kuumassa ja korkealla lentoonlähdettäessä ja laskeuduttaessa koneen suorituskyky on koetuksella, ja usein koneen rahtikuormaa joudutaan silloin rajoittamaan. Moottorit ja lentokoneen monet systeemit joutuvat näissä olosuhteissa myös suurelle rasitukselle.

Testit tehdään Cochabamban ja La Pazin lentokentillä, joiden korkeudet merenpinnasta ovat 2500 m ja 4000 m. La Paz on eräs korkeimmilla sijaitsevista kaupalliseen liikenteeseen käytettävistä lentokentistä. Testeissä koneella lennetään paitsi mahdollisimman samaan tapaan kuin normaalissa liikenteessä, niin myös simuloidaan erilaisia hätätilanteita, kuten esimerkiksi moottoririkkoa lentoonlähdössä.

Kaikkiaan A350:n kolme koekonetta ovat lentäneet tähän mennessä yhteensä yli 800 tuntia lähes 200 koelennolla. Kaikkiaan lento-ohjelmassa on yli 2500 lentotuntia ja koneita ohjelmaan osallistuu lopulta viisi. Koelentokoneiden kolmas yksilö, sarjanumeroltaan MSN2, valmistui tammikuun alussa ja se aloitta koelentonsa näinä päivinä. Kyseessä on ensimmäinen kone, missä on täydellinen matkustamo: sitä käytetäänkin ennen kaikkea pitkiin koelentoihin sekä matkustamolaitteiden testaamiseen.

Myös Finnair on tilannut A350-koneita. 11 tilatusta koneesta ensimmäiset tulevat liikenteeseen loppuvuodesta 2015 ja korvaavat silloin ainakin osan yhtiön nykyisistä A330/340-koneista.

A350:n kolmas koelentokone

A350:n kolmas koekone poikkeaa myös maalaukseltaan aikaisemmista, sillä se on maalattu pitkälti hiilikuidun väriseksi, jotta koneen pääasiallinen rakennusmateriaali ei jäisi unholaan. Kaikki kuvat: Airbus

 

Onnea 72-vuotias heittoistuin!

Jari Mäkinen

Tiettävästi heittoistuimen tekemistä ja käyttämistä koetettiin ensimmäisen kerran jo joulukuussa 1912, yhdeksän vuotta ensimmäisen moottorilennon jälkeen, mutta tekniikka ei ollut tarpeeksi kehittynyttä vielä vuosikausiin rutiininomaista käyttöä varten. Niinpä vasta vuonna 1942, tarkalleen juuri tänään 72 vuotta sitten, heittoistuinta käytettiin ensimmäisen kerran tositoimissa siten, että se pelasti lentäjän hengen.

Kyseessä oli saksalainen koelentäjä Helmut Schenk, joka oli testaamassa Heinkel He-280 -suurnopeuslentokonetta. Uuden Heinkelin voimanlähteinä oli kaksi patoputkimoottoria, jotka vaativat toimiakseen suuren nopeuden, ja siksi konetta hinattiin toisella lentokoneella. Hinausvaijeri ei kuitenkaan suostunut irtoamaan, joten Schenkin ainoa tapa päästä ehjin nahoin takaisin Maahan koneesta oli heittoistuin. He-280:sta tuli lopulta ensimmäinen suihkumoottorilla varustettu, prototyyppivaiheen selvittänyt ja tuotantoon saakka yltänyt suihkumoottorilla varustettu lentokone.

Saksalaisten ylpeydet, modernit Heinkelit olivat varustettuja yhtiön valmistamilla heittoistuimilla, jotka toimivat pienten rakettimoottorien sijaan paineilmalla. Ne sinkosivat käyttäjänsä suurella nopeudella ulos koneesta, jolloin kiihtyvyys oli tilanteesta riippuen seitsemän ja yhdeksän g:n välillä.

Kuvassa Yhdysvaltain ilmavoimien taitolentoryhmän Thunderbirdsien lentäjä Christopher Stricklin sinkoaa ulos F-16 -koneestaan Idahossa pidetyssä lentonäytöksessä vain noin sekuntia ennen kuin hänen koneensa iskeytyi maahan ja tuhoutui. Lento-onnettomuustutkinnan mukana onnettomuus johtui lentäjän virheestä, mutta hän pelastui hyvien refleksien, tehokkaan koulutuksen ja heittoistuimen ansiosta.

Miten heittoistuin toimii?

Heittoistuimia käytetään useimmiten sotilaslentokoneissa, joissa lentonopeus on niin suuri, ettei koneesta voi hypätä ulos laskuvarjolla normaalisti. Isuin laukaistaan yleensä rakettimoottoreilla ulos koneesta. Kun istuimen laukaisukahvasta vedetään, käynnistyy sekunnin osissa etenevä tapahtumasarja: koneen ohjaamon kuomu irtoaa tai hajotetaan hallitusti osiin paineilmalla tai räjähdyspanoksilla, istuimen turvavyöt kiristyvät, istuin sinkoutuu lentäjä mukanaan ulos koneesta ja suuntaa automaattisesti ylöspäin. Kun istuimen rakettimoottori hiipuu, lentäjän laskuvarjo aukeaa ja painava istuin irtautuu lentäjästä. Kun heittoistuin nousee ylös koneesta, sen nopeutta ja kieppumista jarrutetaan ja vakautetaan vakautusvarjolla ennen varsinaisen pelastuslaskuvarjon aukeamista. Siksi tapahtumasta saattaa näkyä maasta käsin hetken aikaa mahdollisesti vielä ilmassa lentävän, hylätyn koneen lisäksi laskuvarjon varassa laskeutuva lentäjä, irtautunut vakautusvarjo ja vapaasti putoava istuin.

Heittoistuimet Suomessa

Suomen ilmavoimissa ensimmäiset heittoistuimella varustetut lentokoneet olivat 1954 hankitut DeHavilland D.H.115 Vampire -koulukoneet, ja niillä tehtiin myös ensimmäinen suomalainen heittoistuinhyppy Luonetjärvellä 29.7.1958. Silloin hävittäjälentolaivue 21:n kaksipaikkainen VT-4 -harjoitushävittäjä törmäsi osastolentoharjoituksessa yhteen yksipaikkaisen Vampire-hävittäjän kanssa. Koneen ohjaaja pelastautui ohjauskyvyttömäksi tulleesta koneesta heittoistuimella.

Viimeisin heittoistuinhyppyjä vaatinut onnettomuus tapahtui viime marraskuussa, kun kaksi Ilmavoimien Hawk Mk 66 -harjoitussuihkukonetta osui toisiinsa kaartotaisteluharjoituksessa Perhossa. Toinen ohjaaja pelastui heittoistuimen avulla, mutta toisen onnettomuuskoneen ohjaaja menehtyi.

Kaikkiaan Ilmavoimien lentokoneista on hypätty heittoistuimella vuodesta 1958 alkaen yhteensä 27 kertaa 22 eri lento-onnettomuudessa. Vain yhdessä tapauksessa heittoistuinhypyn suorittanut henkilö on saanut surmansa. (Lähde: Ilmavoimat)

Pukin kelkka 2000-luvulle!

Joulupukin kelkka nykytekniikalla
Joulupukin kelkka nykytekniikalla
Toimitus

Joulupukin pitää tänään jälleen kerran kiertää maapallo ja sen lapset uskomattomassa ajassa. Amerikkalainen General Electric on tarjonnut apuaan pukille suunnittelemalla hänen käyttöönsä aivan uudenlaisen (ja yllättäen paljon yhtiön tekniikkaa käyttävän) kelkan.

Kolmepaikkaisessa menopelissä on jäätä ja kosteutta hylkivä pinnoitus, vähän sähköä kuluttava OLED-valolaitteet, 3D-tulostetut kelkan kiskon pinnoitukset, keraamisia matriisikomposiitteja rungossa, supertehokkaat akut ja pietsosähköisesti viilennetyt suihkumoottorit sekä paljon muuta tekniikkaa langattomasta pukin ruumiintoimintoja tarkkailevasta systeemistä älykkääseen lennonjohtojärjestelmään kytkeytyvään liikenneohjaustoimintaan. Kelkasta kerrotaan kuvin tarkemmin jutun lopussa.

Joulupukin maailmanympärimatkan fysiikkaa

Vaikka nykyaikaan ryyditetty kelkka onkin vielä mielikuvitusta, on pukin lähes epätodellinen matka kuitenkin täyttä totta – ja sen faktat huimaavat päätä!

Ensinnäkin maailmassa on 2 miljardia lasta, joista noin 19% juhlii joulua. Siis pukin täytyy vierailla 380 miljoonan lapsen luona.

Jos lasketaan, että osassa maailmaa perheet ovat suuria ja muualla perheet viettävät joulua yhdessä muiden kanssa, voisi ajatella, että yhdessä taloudessa olisi 3,5 lasta ja lapset olisivat olleet kilttejä. Eli matkalla tulisi vierailla 91,8 miljoonassa kodissa.

Vuorokausi kestää 24 tuntia, mutta mikäli pukki liikkuisi matkallaan idästä länteen, hän voisi tehdä työtä hieman pitempään maapallon pyörimisliikkeen ansiosta. Voisi ajatella, että hän kykenisi tekemään 31-tuntisen työpäivän jouluna. Jos tämän ajan jakaa käytävien kotitalouksien määrällä, saadaan tulokseksi, että pukki käy 822,6 taloudessa joka sekunti. Siten hänellä on noin tuhannesosasekunti aikaa kysellä kuulumiset, kuunnella joululaulut, juoda kuppi kahvia (tai muuta piristysjuomaa) ja jakaa lahjat yhdessä paikassa, ennen kuin hän jatkaa taas eteenpäin.

Jos käytävät 91,8 miljoonaa vierailupaikkaa sijaitsisivat tasaisesti ympäri maapallon, olisi jokaisen kotitalouden välissä 1,26 kilometriä. Matkan pituudeksi tulee näin ollen 115,2 miljoonaa kilometriä, mikä tarkoittaa sitä, että pukin menopelin täytyy liikkua yli 3,7 miljoonaa kilometriä tunnissa (3 717 273 km/h), eli 1032 kilometriä sekunnissa. Se on hieman enemmän kuin tavallinen poron nopeus, noin 25 kilometriä tunnissa.

Entäpä sitten pukin kuljettama tavaramäärä?

Jos oletetaan, että jokainen lapsi saa pienen, noin kilon painavan lahjan, on tuloksena 380 miljoonaa kiloa. Matkaan lähtiessä siis kelkan tulee kestää tuo paino, ja porojen tulee pystyä kiskomaan tämän 1100 täyteen lastatun Jumbo-Jetin massan. Eikä luvussa ole mukana itse joulupukkia!

Yksi poro pystyy kiskomaan karkeasti arvioiden 135 kilon lastia, joten tämän kuorman vetämiseen tarvitaan noin 2,8 miljoonaa poroa. Mutta oletetaan toiveikkaasti, että joulun taika saa poron tehon kymmenkertaistumaan, joten kelkan eteen tarvitaan nyt "vain" 281 481 poroa. Jos yhden poron massa on 150 kiloa, pukin porot ovat lihaksikkaita, on niiden yhteismassa 447,6 miljoonaa kiloa, eli porojen sekä kuorman kokonaismassa on noin 827 600 tonnia.

Kun porot ja kelkka liikkuisivat näin nopeasti ilmassa, syntyisi valtava ilmanvastus ja siitä tuleva kuumennus; pukki, kelkka ja porot tulisi suojata ilmakehän kitkakuumennusta vastaan samaan tapaan kuin Maahan palaavat avaruusalukset. Sen tulisi olla myös niin tehokas, ettei sellaista toistaiseksi ole olemassa. Niinpä valjakon ensimmäiset porot höyrystyisivät kuumennuksessa silmänräpäyksessä. Itse asiassa koko valjakko rekeineen höyrystyisi arviolta viidessä tuhannesosasekunnissa.

Eikä tässä kaikki! Moisessa menossa pukkiin kohdistuisi jotakuinkin 17 500 kertaa Maan vetovoimaa suurempi kiihtyvyys, siis noin 17500 g, mikä voisi olla satoja vuosia vanhalle, livästi pyylevähkölle ikäihmiselle hieman liikaa.

Mutta koska pukki todistetusti tekee matkansa joka joulu, on joko laskemamme täysin väärin, hän osaa muokata fysiikan lakeja mieleisekseen tai sitten hänellä on käytössään esimerkiksi alla oleva huipputekninen menopeli.

Boeing 777X jo tuulitunnelissa

Jari Mäkinen

Vain muutama viikko sen jälkeen kun lentokoneenvalmistaja Boeing ilmoitti Dubain ilmailunäyttelyssä aloittavansa suositun pitkänmatkankoneensa 777:n uuden, nykyaikaistetun version 777X:n valmistamisen, on koneen pienoismalli jo tuulitunnelitesteissä. Testit tehdään Iso-Britanniassa, QinetiQ -yhtiön aerodynaamisessa tutkimuskeskuksessa Farnborough'n luona.

Koneen pienoismalli on hyvin autenttinen ja muun muassa sen korkeusvakaajan kulmaa sekä laippoja ja solakoita voidaan muuttaa asennosta toiseen aivan kuten oikeassa koneessa tullaan tekemään. Näin testeissä voidaan jo nyt "lentää" koneella eri nopeuksilla ja erilaisissa lentotilanteissa, joskin nyt 5. joulukuuta alkaneet kokeet keskittyvät vain hidaslento-ominaisuuksiin. Eli testeissä kiinnitetään huomiota pääasiassa laskeutumiseen ja lentoonlähtöön.

Malli on kooltaan 0,05% täysikokoisesta koneesta, eli 4,2 metriä pitä ja sen siipien kärkiväli on 3,9 metriä. Siihen on asennettu satoja pieniä sensoreita, jotka rekisteröivät ilmapainetta ja rasituksia eri puolilla runkoa.

Lentokoneiden aerodynamiikkaa voidaan simuloida erittäin hyvin tietokoneilla ja koneita voidaan lentää näiden simulaatioiden perusteella tehdyillä malleilla simulaattoreissa jo kauan ennen kuin oikea kone edes lentää, mutta yhä edelleen paras tapa varmentaa tietokonelaskelmat on käyttää koneen pienoismallia tuulitunnelissa. Tuulitunnelikokeet ovat myös hyvin visuaalisia, jolloin toisinaan rungon yksityiskohtien sekä ilman virtauksen hahmottaminen on vaikeaa (3D-työkaluista huolimatta) ilman fyysistä, oikeaa mallia.

Näiden testien jälkeen keväällä pienoismallilla ajetaan suurnopeustestejä Boeingin omalla, tähän paremmin soveltuvalla tuulitunnelilla Seattlessa.

Boeing 777X -koneesta tulee suurin ja polttoainetaloudellisin kaksimoottorinen matkustajakone, jolle valmistaja lupaa 12% pienemmän polttoaineenkulutuksen kuin kilpailijallaan (siis Airbusin A350:lla) ja sen käyttökustannuksien luvataan olevan 10% pienemmät.

Parantuneen aerodynamiikan, kehitettyjen ohjausjärjestelmien ja uusien materiaalien ohella tärkein vaikuttaja säästöihin ovat uudenlaiset General Electric GE9X -moottorit.

Koneesta on tulossa kaksi versiota: suurempi 777-9X, joka voi lentää yli 400 matkustajalla noin 15100 km:n päähän, ja rungoltaan lyhyempi 777-8X, jonka sisään mahtuu 350 matkustajaa ja se pystyy lentämään 17200 km:n päähän. 777-8X on Airbus A350-1000:n suora kilpailija, joten A350:n pienempi versio ei osu aivan suoraan nokatusten uuden Boeingin kanssa. Sen sijaan lentoyhtiöt pohtivat koneita ostaessaan A350-900:n ja Boeingin hieman heikkomaineisen 787 Dreamlinerin välillä, vaikka nekään eivät ole kooltaan aivan samoja.

Beoingin uutuus tulee liikenteeseen vuonna 2020 ja sen suunnittelu saadaan valmiiksi 2015. Sen jälkeen konetta aletaan rakentaa ja koelentää, mihin menee helposti 4-5 vuotta. Koneelle on jo 259 tilausta.

Boeingin uusi konekaksikko virtuaalisesti taivaalla. (Tämä ja otsikkokuva: Boeing)

Kylkimyyryä kulkeva monitoimimurtaja vesille

Monitoimimurtaja NB 508
Monitoimimurtaja NB 508
NB509
Jari Mäkinen

Helsingin telakalla laskettiin eilen vesille uudenlainen jäätämurtava monitoimipelastusalus, joknka erikoisuus on sen epäsymmetrinen rungon muoto. Aker Arctic Technology Oy:n ARC 100 -konseptiin perustuva alus voi murtaa jäätä perinteisesti perä tai keula edellä, mutta myös vinottain, jolloin se pystyy avaamaan leveämpää uomaa jäähän.

Ensimmäinen näistä uudentyyppisistä aluksista menee Venäjän meri- ja jokiliikenneviraston alaisuudessa toimivalle meripelastusviranomaiselle Gosmorspassluzhballe, ja tämän Baltika–nimisen monitoimipelastusaluksen vesillelasku tapahtui eilen 12.12.2013 Arctechin Helsingin telakalla. Alus tulee toimimaan jäänmurto-, pelastus- ja öljyntorjuntatehtävissä Suomenlahden alueella keväästä 2014 alkaen.

Baltika edustaa täysin uudentyyppistä murtajateknologiaa. Vinottain , kylki edellä kulkien se pystyy murtamaan 50 metrin levyistä kulkuväylää 0,6 metrin paksuisessa jäässä. Keula ja perä edellä alus kykenee operoimaan yhden metrin paksuisessa jäässä.

Laiva on pituudeltaan 76,4 metriä ja leveydeltään 20,5 metriä. Kolmen vähärikkistä polttoainessa huolivan päädieselgeneraattorin teho on yhteensä 9 MW. Potkurilaitteistoina on kolme 360 astetta pyörivää peräsinpotkuria, joiden teho on yhteensä 7,5 MW.

Aluksen helikopteritasanne soveltuu kookkaidenkin helikopterien toimintaan, ja se on suunniteltu toimimaan Baltikan tapauksessa Kamov Ka 32 -tyyppisten kopterien kanssa. Kannella on suurikokoinen nosturi, joka pystyy siirtämään 25 tonnia painavia lasteja. Mukana on myös yksi suurikokoinen työvene, jonka pääkäyttötehtävä on öljypuomien käsittely. Aluksen koko öljyntorjuntalaitteisto toimii myös haastavassa,korkeassa aallokossa.

”On ollut hienoa rakentaa maailman ensimmäistä vinottain jäissä kulkevaa alusta. Uskon, että tämä alus tulee olemaan suunnannäyttäjä innovatiivisten arktisten alusten kehitystyössä ja rakentamisessa. Laiva on teknisesti erittäin vaativa ja sen rakentaminen on edellyttänyt paljon osaamista”, sanoi Arctech Helsinki Shipyardin toimitusjohtaja Esko Mustamäki vesillelaskutilaisuudessa.

”Tämä projekti on erittäin merkittävä Venäjän valtiolle. Laivan rakentaminen ja tuleva operointi Suomenlahdella on hieno askel Suomen ja Venäjän väliselle yhteistyölle”, totesi puolestaan Venäjän meri- ja jokiliikenneviraston Rosmorrechflotin pääjohtaja Alexander Davydenko.

Alus on rakennettu yhteistyössä Kaliningradissa sijaitsevan Shipyard Yantar JSC kanssa, joka on vastannut laivan lohkojen valmistuksesta. Rungonkoonti aloitettiin Helsingissä kesäkuussa 2013. Rungonkoonnin lisäksi Arctech vastaa aluksen suunnittelusta, varustelusta ja viimeistelystä. Laiva luovutetaan asiakkaalle keväällä 2014.

 

NB509

Suurempi jäänmurtaja tekeillä

Arctech Helsinki Shipyard rakentaa jäänmurtajaa Venäjän liikenneministeriölle yhteistyössä Viipurin telakan kanssa. Jäänmurtaja on suunniteltu toimimaan ympärivuotisesti Itämerellä ja kesäaikaan arktisilla vesillä. Laiva kykenee operoimaan jopa -40°С pakkasessa ja sen jäänmurtokyky on 1,5 metriä.

Arctechin jäänmurtajatilaus on osa kolmen jäänmurtajan sarjaa, jotka Venäjän liikenneministeriö on tilannut Viipurin telakalta. Viipurin telakka vastaa perussuunnittelusta ja pääkomponenttien hankinnasta sekä tuottaa noin puolet jäänmurtajan lohkoista. Arctech vastaa aluksen kokoonpanosta, varustelusta ja viimeistelystä. Jäänmurtaja luovutetaan asiakkaalle elokuussa 2015

Sivutus

  • Edellinen sivu ‹‹
  • Sivu 5
  • Seuraava sivu ››
Tilaa aihepiirin tekniikka RSS-syöte

AIHEALUEET

Avaruus ja ilmailu
Tiede ja tekniikka
Luonto ja ympäristö
Lääketiede ja terveys
Ihmiset ja paikat
Kirjat, elokuvat ja taide

ERIKOISTA

Tiedekiinnostavuuskartta
Jutturuletti
Suorana labrasta
eTuubi
Videot

TIEDETUUBI

Tiedetuubin esittely
Toimitus
Tiedetuubi ja tekoäly
Yhteistyökumppanit
Mediakortti
Information in English

Copyright © 2012-2026 Tiedetuubi - All rights reserved