Moottorin kehittely vei keksijän termodynamiikan rajamaille

Fysiikan tutkimuksessa panostetaan nyt paljon hiukkasfysiikkaan ja kosmologiaan. Paljon löydettävää olisi kuitenkin edelleen myös termodynamiikan tapaisella klassisen fysiikan saralla. 

Tätä mieltä on Samuli Penttinen, joka on kehittänyt laajenevaan nesteeseen perustuvaa lämpövoimakonetta. Iso osa projektia on ollut nesteen käyttäytymiseen liittyvien ilmiöiden sovittaminen olemassa olevaan termodynamiikkaan.

Nykyinen polttomoottoriteknologia perustuu käytännössä täysin kuumenemisen myötä laajenevaan kaasuun, jonka sisältämää energiaa saadaan muutettua työksi. Kaasujen toimintaa kuvaavaa termodynamiikkaa onkin tutkittu jo pitkään.  

Nykyisen termodynamiikan kivijalkana on 1800-luvun alussa vaikuttaneen ranskalaisen fyysikon Sadi Carnot’n työ, joka tulikin tarpeeseen omana aikanaan. Höyrykoneet tekivät tuloaan, mutta käytössä ei ollut vielä teoriaa, joka olisi selittänyt lämpöenergian muuttamista työksi. Carnot kehitti mallia, joka tarjosi kättä pitempää alkuaikojen koneiden hyötysuhteitten parantamiseksi. 

Monien mielestä termodynamiikan kaltaisessa perusfysiikassa tai käytännön moottoriteknologiassa ei ole kahdensadan vuoden tutkimuksen ja kehittelyn jäljiltä enää käänteentekevää löydettävää. Penttinen oli tästä eri mieltä, ja lähti kehittämään konetta, jossa lämpenemisen myötä laajeneva työaine ei ole kaasu vaan neste.

Poikkeavan näkökulman myötä kehittelyssä ajauduttiin tunnetun termodynamiikan reunoille ja tavallaan niiden ylikin. Nestefaaseihin liittyviä fysikaalisia ilmiöitä ei Penttisen mielestä tunneta edelleenkään läheskään täysin. 

Akateemisen maailman ulkopuolisessakin tutkimuksessa voi syntyä helmiä.

– Nesteissä havaittujen ilmiöiden istuttaminen olemassa olevaan termodynamiikkaan on ollut jo yksinään kahden vuoden projekti.

Nesteidenkin käyttäytymiseen liittyvää fysiikkaa on tietysti tutkittu. Yksi esimerkki tuloksista on ”phononiteoria”, joka selittää esimerkiksi molekyylien värähtelyjä nesteessä. Teoria ei kuitenkaan käsittele Penttisen mukaan suoranaisesti nesteiden tekemää työtä. 

Kokeellisesti on tutkittu esimerkiksi dieselöljyn, veden ja halogenoitujen hiilivetyjen toimintaa, mistä on laadittu myös taulukoita. 

– Havainnot eivät kuitenkaan kata tarkasti ja kattavasti esimerkiksi lämpölaajenemista eri lämpötiloissa tai ominaislämpökapasiteetin muutosta.

Neste ei painu kaasun tavoin

Penttisen mukaan nestetoimisella moottorilla voidaan saavuttaa kaasumoottoria parempi hyötysuhde erityisesti matalissa lämpötiloissa. Paineen ja lämpötilan noustessa nesteessä alkaa ilmetä kaasumaisia ominaisuuksia, jotka laskevat koneen hyötysuhdetta. 

Nesteen ja kaasun yksi olennainen ero on se, että neste ei puristu paineen alla kokoon kaasun tavoin. Tämä selittää osittain nestemoottorin hyvää hyötysuhdetta.

– Työtä tehdessä nestefaasissa ei tapahdu rajatonta paisumista kuten kaasuissa, koska nesteissä vuorovaikutuskenttä sitoo molekyylit lähelle toisiaan. 

– Tällöin emme menetä juurikaan lämpöenergiaa itse työfluidin paisumiseen työtä tehtäessä tai hallitsemattomasti työn teon jälkeen. 

Penttinen vertaa eroa auton työntämiseen jousella tai rautakangella. Jousella työnnettäessä energiaa kuluu ensin jousen kokoonpuristamiseen, minkä jälkeen jousi alkaa työntää itse autoa. Jäykällä rautakangella työnnettäessä voima siirtyy suoraan autoon.

Energia tosin taas vapautuu työntämisen jälkeen, mutta se on usein käyttökelvotonta.

Lämpö talteen ja uudelleen käyttöön

Nestemoottorin hyötysuhdetta tukee samalla se, että työaine ei hukkaa lämpöenergiaa samaan tapaan kuin moottorista heti työvaiheen jälkeen poistuva kaasu. Kuumentuneen nesteen lämpösisältö voidaan ottaa talteen ja syöttää takaisin koneeseen. Nesteen lämmittäminen on näin perustavanlaatuisesti erilainen tapahtuma kuin räjähtämällä palavan kaasun. 

Hyvän hyötysuhteen saavuttaminen nestetoimisella moottorilla edellyttää tehokasta lämmön talteenottoa ja takaisinsyöttöä.  

Kaasuun verrattuna laajenevan nesteen tilavuuden muutos on pieni, mutta tässä syntyvä voima erittäin suuri. 

– Suuren voiman ansiosta pienempikin tilavuuden muutos voidaan muuttaa moottorissa työksi. 

Prosessissa ei tarvita erittäin korkeaa lämpötilaa ja tarvittava energia voidaan ottaa vaikkapa lämminvesivaraajasta.

Penttisen mukaan nesteen lämpölaajenemiseen perustuva moottori toimii jo hyvinkin pienillä lämpötilaeroilla. 

– Kylmäpuoli voi olla vaikkapa 0 celsiusastetta, kuumapuoli 100 astetta.

Koska prosessissa ei tarvita erittäin korkeaa lämpötilaa, tarvittava energia voidaan ottaa Penttisen mukaan esimerkiksi lämminvesivaraajasta. 

– Varaaja voi tällöin toimia akun tapaisena energiavarastona, jos moottoria käytetään sähkön tuottamiseen.

Yhteistyöstä vaihtelevia kokemuksia

Penttisen mielestä fysiikan akateemisessa tutkimuksessa hieman pelätään olemassa olevien käsitysten kyseenalaistamista. Kokemukset keskustelujen avaamisesta fyysikoiden kanssa ovat olleet ristiriitaisia. 

– Joissain tapauksissa keskusteluyritykset eivät ole onnistuneet, mutta vastaan on tullut myös aitoja, eteenpäin kannustavia tutkijaluonteita.

Ei-akateemisen tutkimuksen rahoituksen ongelmana Penttinen näkee hakijoiden valtavan määrän sekä sen, että monessa tapauksessa nämä ovat heikosti selvillä tieteen piirissä jo saavutetuista tuloksista. Tämä johtaa helposti hankkeisiin, joissa pyörää keksitään uudelleen.

Akateemisen maailman ulkopuolisessakin tutkimuksessa voi silti syntyä helmiä. 

– Startuppien ja yritysten saamat tuotekehitysavustukset tarjoavat onneksi mahdollisuuksia myös aitoon tutkimukseen käytännön kehitysprojektien yhteydessä.