Lentokonemoottoreista on saatava ympäristöystävällisempiä – se on selvää. Löytyykö ratkaisu käänteentekevistä propulsiojärjestelmistä vai biopolttoaineita hyödyntävästä nykytekniikasta? Metalworking World tutustui aiheeseen tarkemmin.
Kaasuturbiinimoottori on pitänyt lentokoneet ilmassa jo pitkälti yli 50 vuotta ilman merkittäviä teknisiä uudistuksia. Lentokoneteollisuutta koskevien päästö- ja melumääräykset jatkuva tiukentuminen ja polttoainekustannusten nousu on saanut tutkijat nopeuttamaan teknologiankehitystyötään. Mihin suuntaan kehitys vie? Jatkuuko kaasuturbiinimoottorin kehitys loputtomiin vai kokeeko suihkumoottori jonkin mullistavan propulsiotekniikan myötä mahalaskun?
Ilmailun osuus polttoaineiden käytöstä johtuvista CO2-päästöistä on noin kaksi prosenttia, ja lentomatkustuksen suosion kasvaessa nousevat myös päästöt. Lentopolttoaineen käyttö aiheuttaa lentokentillä typen oksidien (NOx) päästöjä, jotka aiheuttavat happamia sateita ja savusumua sekä miljardien kustannuksia sairauksina ja kuolemina. Päästöjen ennakoidaan kaksinkertaistuvan vuoteen 2020 mennessä. Suuntauksen kääntämiseksi Euroopan ilmailuteollisuus asetti vuonna 2001 tavoitteeksi pienentää polttoaineenkulutusta 50 prosenttia matkustajakilometriä kohden ja NOx-päästöjä 80 prosenttia vuoteen 2020 mennessä.
Asiantuntijat ovat yhtä mieltä, että lyhyellä aikavälillä päästöjen pienentäminen ja tehokkuuden parantaminen tapahtuu kertaloikan sijaan pienin askelin. Yliopistojen, tutkimuslaitosten ja moottorinvalmistajien kehitysprojekteissa tehdään jatkuvasti pieniä parannuksia polttoainetehokkuuteen. Yksi kehitysprojekteista oli Rolls-Roycen PANACEA-projekti, jossa Sandvik Coromant oli tiiviisti mukana (ks. sivu 31). Käyttämällä moottorin komponenteissa uusia aineita projektissa onnistuttiin pienentämään polttoaineenkulutusta 0,3–0,5 prosenttia, mikä tietää 600 kg pienempiä CO2 päästöjä Atlantin ylityksellä.
Kilpaileva moottorinvalmistaja GE Aviation ilmoitti puolestaan hiljattain uudesta liikekoneiden propulsiojärjestelmästä, jossa yhdistetään sotilas- ja siviiliteknologiaa. Näiden Passport-moottoreiden kehitystyö jatkuu, ja varsinaisen testauksen on määrä alkaa 2013. Moottorin painesuhde on korkea, ja kompressori on valmistettu uusista, vielä nimeämättömistä materiaaleista. GE:n mukaan moottoreiden polttoaineenkulutus on 8 prosenttia tavanomaista pienempi ja NOx-päästöt pienenevät huomattavasti. "Passport on...maailman ensimmäinen integroitu propulsiojärjestelmä, joka on suunnattu erittäin pitkän toimintasäteen laajarunkoisiin liikekoneisiin, ja se takaa...hiljaisemman ja tehokkaamman matkustamisen", toteaa GE:n Business & General Aviation -yksikön johtaja.
GE:n toisen, alueellisia lentoja tekeviin koneisiin suunnatun projektin odotetaan tuovan 15 prosentin polttoaineensäästön nykymoottoreihin nähden. Säästö perustuu jälleen salaisiin uusiin materiaaleihin, uuteen jäähdytysteknologiaan sekä uudenlaiseen polttokammioon, jossa ilman ja polttoaineen seos palaa.
Nämä ovat varmasti tervetulleita edistysaskeleita lentokoneiden ympäristöystävällisyydessä, mutta todella merkittävät parannukset ovat kiven alla. "Haasteita riittää. Esimerkiksi korkeamman painesuhteen käyttäminen on vaikeaa jäähdytysilman lämpötilan nousun vuoksi, uusien materiaalien kehitykseen liittyy rajoitteita ja erittäin suuren ohivirtaussuhteen käyttäminen lisää moottorien painoa ja ilmanvastusta", kertoo Göteborgissa sijaitsevan Chalmersin teknillisen korkeakoulun sovelletun mekaniikan laitoksen apulaisprofessori Tomas Grönstedt. "Meidän olisi pystyttävä kehittämään jatkuvasti uusia materiaaleja, eikä ole mitään takeita, että kehityksen nykyvauhti pysyy yllä."
Nyt kehityksen alla oleviin teknologioihin, joita pidetään varteen otettavina vaihtoehtoina keskipitkällä aikavälillä, lukeutuvat välijäähdytteinen moottori, välijäähdytteinen moottori rekuperaattorilla ja avoroottorimoottorit. "Välijäähdytteinen moottori rekuperaattorilla ja välijäähdytteinen moottori eivät tule käyttöön ennen vuotta 2020, jos ylipäänsä tulevat. Avoroottorimoottorin aikataulun arvioisin suunnilleen samaksi", Grönstedt pohtii.
Pulssimoottori (pulse detonation engine, PDE), jolla voidaan saavuttaa merkittävästi parempi hyötysuhde, on kiinnostavimpia tutkimuksen kohteena olevia propulsioteknologioita. Grönstedtin mukaan teknologiaan liittyy useita ratkaisua odottavia ongelmia. "Epäjatkuvan palotapahtuman vuoksi turbiinin jäähdyttäminen ja melu aiheuttavat haasteita", hän toteaa.
Jos haasteet ratkaistaan, saavutettavat ympäristöedut ovat tuntuvat. "Yhdistämällä PDE- ja avoroottoriteknologia, koneiden rungon kehitys, kuten siipirunkokoneet ja hitaammat lentonopeudet, voidaan vuoteen 2050 mennessä saavuttaa 75 prosentin polttoainesäästö matkustajakilometriä kohden vuoden 2000 perustasosta", Grönstedt kertoo.
Kyseiset teknologiat merkitsisivät suurta edistysaskelta, mutta lähtökohtana ovat edelleen nykyiset polttomoottorit. Milloin sitten päästään scifi-elokuvien ratkaisuihin, täysin uudenlaisiin propulsiojärjestelmiin?
"Ilmaan on heitelty äärimmäisen radikaaleja konsepteja noin vuodelle 2050, mutta en usko varsinaista käännettä tapahtuvan tuolloinkaan", Grönstedt sanoo ja toteaa, että kaasuturbiinin ehdoton etu on mahtava voimantuotto. "Työntövoima on valtava suhteessa rakenteen pieneen painoon, eikä haastajaa ole näköpiirissä. Voi olla, että käytämme samaa rakennetta vielä vuonna 2200, mutta kehitykseen ei enää satsata, koska olemme jo lähellä moottorin lämpö- ja propulsiohyötysuhteen rajoja."
Polttomoottorin korvaamiseen ei kenties ole varsinaista tarvettakaan. "Uskon ilmailun muuttuvan ympäristöystävällisemmäksi energiatehokkuuden radikaalin parantumisen sekä biopolttoaineiden käyttöönoton myötä", Grönstedt sanoo. "Levä voisi olla kestävä ratkaisu biopolttoaineen valmistukseen, sillä se ei kilpaile ruuantuotannon kanssa. Se edellyttää kuitenkin teknisten haasteiden ratkaisemista."
Uudet moottorit ja polttoaineet
Avoroottorimoottorit:
Tunnetaan myös potkuripuhallinmoottorina. Yhdistää potkuriturbiinin polttoainetalouden ja ohivirtausmoottorin nopeuden ja suorituskyvyn. Vuonna 1979 patentoitu avoroottorimalli voi pienentää polttoaineenkulutusta n. 30 prosenttia, mutta sen haittana on muita ratkaisuja suurempi melu.
PDE-moottori:
Kehitelty jo 70 vuotta sitten. PDE on eräänlainen sysäysputkimoottori, jossa polttoaineen ja hapen seos palaa sykäysmäisinä räjähdyksinä. PDE-moottorilla lentokone voi teoreettisesti lentää noin 5-kertaisella äänennopeudella, mutta moottoria ei ole saatu vielä tuotantoon. PDE:n ongelmia ovat melu ja värinä.
Välijäähdytetty moottori rekuperaattorilla:
Moottoriin integroitu välijäähdytin ja rekuperaattori (esilämmitin), eli lämmönvaihdin, mahdollistavat lämmön talteenoton kuumista palokaasuista ja polttimen lämmönnousun hillitsemisen. Näin voidaan saavuttaa 30 prosentin polttoainesäästö ja pienentää NOx-päästöjä ja melutasoa.
Uusiutuvat polttoaineet:
Jatropa on pensasmainen, karussa maaperässä kasvava kasvi, jota pidetään potentiaalisena lentopolttoaineen lähteenä. Monet lentoyhtiöt ovat onnistuneesti testanneet jatropan siemenistä valmistettua polttoainetta, jonka väitetään pienentävän kasvihuonekaasujen päästöjä 60 prosenttia fossiiliseen polttoaineeseen nähden. Gulfstream G450 -liikekone ylitti kesäkuussa 2011 ensimmäisenä Atlantin käyttäen biopolttoainetta, jossa oli samassa suhteessa tavallista polttoainetta ja biopolttoainetta.
Biopolttoaineiden käyttö kasvaa voimakkaasti.
Yhä uusia haasteita lastuamiseen
Vihreä ajattelu tietää kuumia paikkoja
Lentokonemoottoreihin liittyvät luvut saavat pään helposti pyörälle: puhaltimen jokaiseen siipeen voi kohdistua 70 tonnin keskipakovoima, mikä vastaa nykyisten vetureiden painoa; jokainen korkeapaineturbiinin siipi kehittää F1-autoa vastaavan tehon; moottorin kuuman osan siipien täytyy kestää lämpötiloja, joka on satoja asteita korkeampi kuin siiven materiaalin sulamispiste.
"Luvut ovat aika huimaavia", myöntää Sandvik Coromantin sovelluskehitystyön asiantuntija Steve Weston. "Alalla tavoitellaan vieläkin korkeampia lämpötiloja hyötysuhteen parantamiseksi, vaikka ollaan jo ennestään materiaalin sulamispisteen yläpuolella. Haasteet ovat siis melkoiset."
Westonin mukaan jotkut materiaaleista, joita lentomoottoreiden valmistajat pyytävät Sandvik Coromantia työstämään, ovat lähes uskomattomia ominaisuuksiltaan ja koostumukseltaan. Materiaalit vaikuttavat toisinaan siltä kuin ne olisivat pudonneet suoraan avaruudesta", hän toteaa. "Niillä on suuri leikkauslujuus ja alhainen lämmönjohtavuus, mikä tekee lastuamisesta haastavaa esimerkiksi terän kulumisen suhteen. Mutta jos asiakas kertoo meille tarpeensa ja antaa meille hiukan aikaa, kehitämme taatusti menetelmän, jolla lastuaminen onnistuu."
Yksi haastava projekti, johon Sandvik Coromant on osallistunut, oli PANACEA -projekti. Siinä keskityttiin kriittisiin moottorinosiin tarkoitetun pitkälle kehitetyn nikkeliseoksen työstämiseen. Projektin kumppaneita olivat Rolls-Royce sekä Sheffieldin yliopiston huippunykyaikainen valmistustekniikan tutkimuskeskus, jonka Tier 1 -kumppani Sandvik Coromant on.
Tavoitteena oli kehittää turbiinikiekko, jonka kaksoismikrorakenne antaa erilaiset mekaaniset ominaisuudet kiekon keskiössä ja reunassa. Tämän ansiosta moottorin lämpötilaa voidaan nostaa noin 50 °C, mikä parantaa polttoainetehokkuutta 1,5 prosenttia. PANACEA -teknologia leikkaa Atlantin ylityksestä aiheutuvia CO2-päästöjä 600 kiloa.
Sandvik Coromant auttoi erikoismateriaalin koneistusmenetelmän kehittämisessä. "Koko kiekko koneistettiin valmiiksi yhdellä ja samalla koneella, mikä on poikkeuksellista, sillä yleensä työhön liittyvien muotojen koneistaminen edellyttäisi eri koneiden käyttöä", Weston huomauttaa. "Onnistuimme kuitenkin kehittämään uusia työkaluja ja menetelmiä kiekon jokaisen pinnan koneistamiseksi."
Parhaillaan valmistellaan täysimittaista testiä, ja uusi turbiinikiekko voi auttaa pienentämään polttoaineenkulutusta ja päästöjä jo parin vuoden päästä.
Sandvik Coromant oli Rolls-Roycen PANACEA-projektin pääkumppaneita.
