Tuuli kuljettaa merien jättiläisiä

Vanha merenkulun käyttövoima on tekemässä komean comebackin. Joustavat metallipurjeet ja jättileijat saavat kolossaaliset rahtialukset kyntämään valtameriä vain tuulen kuljettamina ja tekevät polttomoottoreista tarpeettomia.

Vanha merenkulun käyttövoima on tekemässä komean comebackin. Joustavat metallipurjeet ja jättileijat saavat kolossaaliset rahtialukset kyntämään valtameriä vain tuulen kuljettamina ja tekevät polttomoottoreista tarpeettomia.

Oceanbirdwallenius.com

Pieni austronesialaiskansa lähti 5 000 vuotta sitten liikkeelle asuinsijoiltaan Taiwanista. Tuulen avustuksella muuttajat onnistuivat purjehtimaan tuhansien kilometrien päähän kotiseudultaan ja asuttamaan suuren osan Aasiasta.

Tuuli voi taas tehdä merenkulun historiaa.

Viime vuosisatoina laivat ovat kulkeneet enimmäkseen fossiilisilla polttoaineilla – aluksi hiilellä, myöhemmin öljyllä. Se on kuormittanut luontoa. Joka vuosi vesiliikenne aiheuttaa 940 miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöt.

Siksi kehitetään uudenlaisia aluksia, jotka liikkuvat tuulen voimalla niin kuin purjelaivat aikoinaan. Työtä tuetaan taloudellisesti, ja esimerkiksi Euroopan unioni rahoittaa 5,4 miljoonalla eurolla Wind Assisted Ship Propulsion -hanketta, joka tähtää tuulen käyttöön työntövoiman lähteenä.

Menneiden vuosisatojen kangaspurjeet korvataan muun mussa pystysiivillä, leijoilla ja roottoripurjeilla. Runko voidaan muotoilla siiveksi, joka hyödyntää tuulen voimaa.

90 prosenttia tavaroista on ollut rahtialuksen kyydissä.

Jo nykyään tekniikoita käytetään dieselkäyttöisissä rahtialuksissa, ja viiden vuoden kuluttua ensimmäisten isojen rahtialusten tulisi ylittää Atlantti pelkällä tuulivoimalla.

Rahtialus nielee 200 tonnia öljyä päivässä

Konttialukset kuljettavat kaikkea iPadeista banaaneihin ympäri maailmaa, ja yhdeksän kauppatavaraa kymmenestä on jossain vaiheessa ollut rahtialuksen kyydissä. Satojen metrien pituiset alukset pyörittävät potkureitaan suurilla moottoreilla, jotka toimivat fossiilisilla polttoaineilla.

Esimerkiksi maailman pisin konttialus, 397 metriä pitkä Emma Maersk, on varustettu 2 300 tonnia painavalla 14-sylinterisellä moottorilla, jonka enimmäisteho on 108 640 hevosvoimaa. Jättiläismoottori nielee 14 000 litraa öljyä tunnissa.

Nykyisten rahtialusten ensisijaisena polttoaineena käytetään paksua, saastuttavaa niin sanottua polttoöljyä, koska ainoastaan sen energiatiheys riittää isojen konttialusten liikuttamiseen valtamerillä.

Joka päivä rahtialukset hörppivät öljyä määrän, joka vastaa kolmasosaa Saudi-Arabian päivittäisestä öljyntuotannosta. Toisin sanottuna tyypillinen iso konttialus kuluttaa noin 200 000 litraa öljyä päivässä. Sillä tyydyttäisi 50 000 kotitalouden energiantarpeen.

Rahtialukset hoitavat silti kuljetukset lentokoneita edullisemmin ja ympäristöystävällisemmin. Meriliikenteen osuus kaikista hiilidioksidipäästöistä on kuitenkin 2,5–3 prosenttia.

© Ken Ikeda Madsen

Laivojen saasteet tappavat

Rahtialusten osuus vuotuisista kasvihuonekaasupäästöistä on 2,5 prosenttia. Vuoden 2019 selvityksen mukaan laivojen saasteet aiheuttavat joka vuosi noin 60 000 kuolemantapausta eli 16 prosenttia kaikista maa- ja vesiliikenteen kuolemantapauksista, joita on 3 370 000.

YK:n alainen Kansainvälinen merenkulkujärjestö (IMO) on asettanut tavoitteeksi puolittaa meriliikenteen kasvihuonekaasupäästöt vuoteen 2050 mennessä suhteessa vuoden 2008 määrään.

Jos mikään ei muutu, ennusteiden mukaan on olemassa vaara, että päästöt kasvavat peräti 50–250 prosenttia vuoteen 2050 mennessä, sillä kansainvälinen kauppa jatkaa voimakasta kasvuaan.

Siivet siivittävät laivoja

Jotta isot alukset voisivat kulkea maailman merillä ilman fossiilisia polttoaineita, nykyään merenkulkua hallitsevalle dieselmoottorille on kehitettävä vaihtoehtoja. Akut ovat jo lyöneet itsensä läpi autoissa, ja ensimmäiset 100-prosenttisesti akkukäyttöiset alukset ovat jo käytössä.

Akuilla merenkulkua ei kuitenkaan viherretä, sillä ne eivät vielä nykyään tarjoa niin suurta energiatiheyttä kiloa kohti, että ne voisivat kilpailla tasavertaisesti lämpöarvoltaan hyvän öljypohjaisen polttoaineen kanssa.

2,5 prosenttia kasvihuonekaasupäästöistä on peräisin aluksista.

Esimerkiksi keskimääräinen konttilaiva tarvitsisi nykyään noin 10 000:n Tesla S 85 -sähköauton akun kapasiteetin liikkuessaan päivän merellä.

Koska akut eivät riitä, on alettu katsoa tuulivoiman suuntaan. Aika alkaa nimittäin olla kypsä siihen, että tuulesta tulee jälleen merenkulkun ensisijainen käyttövoima. Asiaan vaikuttavat erityisesti paremmat tiedot ja suorituskykyisemmät tietokoneet. Tarjolla on enemmän ja tarkempaa tietoa tuuliolosuhteista, ja tietokoneavusteisen kolmiulotteisen suunnittelun, 3D-mallinnuksen, ansiosta suuretkin alukset voidaan muotoilla niin, että tuuli kuljettaa niitä tehokkaasti.

Uuden sukupolven purjealukset suunnitellaan suorituskykyisillä tietokoneilla, jotka laskevat, kuinka nesteet ja kaasut, kuten vesi ja ilma, virtaavat erilaisilla pinnoilla ja muodoilla ja kuinka virtaukset hidastuvat ja nopeutuvat. Tutkimusalaa kutsutaan numeeriseksi virtausdynamiikaksi.

Lisäksi laskennassa käytetään algoritmeja, jotka tarkentuvat sitä mukaa kuin dataa syötetään lisää. Kyse on niin sanotuista koneoppimisalgoritmeista.

Niiden avulla on mahdollista kehittää tarpeeksi tarkkoja ohjausmekanismeja uuden sukupolven purjeille ja muille tuulivoimatekniikoille, joita käytetään rahtialuksissa.

Edustava esimerkki kehitystyöstä on SeaWing: keulaan kiinnitettävä 1 000 neliömetrin laajuinen leija, joka vetää rahtialusta eteenpäin. SeaWingiä kehittävän Airseas-yhtiön juuret ovat lentokoneistaan tunnetussa Airbus-ryhmässä.

Leija tarvitsee ajantasaista säätietoa. Aluksen anturit välittävät sitä 500 metriä pitkällä johdolla leijan ohjausyksikköön. Tämä säätää jatkuvasti leijan asentoa ja liikkeitä kiristämällä ja löysäämällä naruja. Jatkuva hienosäätö varmistaa, että tuulen voimaa hyödynnetään parhaalla mahdollisella tavalla ja ettei leija pääse putoamaan.

SeaWing-leijan pinta-ala on 1 000 neliömetriä, ja se kiinnitetään rahtialuksen etupäähän. Leijalla on mahdollista pienentää polttoaineenkulutusta noin 20 prosenttia.

© Ken Ikeda Madsen

1. Leija avautuu

Kun tuulen suunta ja nopeus ovat sopivat, aluksen kapteeni ottaa käyttöön leijan, joka sijaitsee 35 metriä korkeassa mastossa. Leija avautuu ja nousee.

© Ken Ikeda Madsen

2. Narut säätävät leijan asentoa

Ohjausyksikkö säätää leijan asentoa ja liikettä ilmassa kiristämällä ja löysäämällä naruja. Säätö perustuu aluksen lähettämiin tietoihin.

© Ken Ikeda Madsen

3. Liike kasvattaa nopeutta

Leija voimistaa vetoa jatkuvasti hidastamalla ja kiihdyttämällä menoaan. Siksi leija kulkee vuorotellen myötä- ja vastatuuleen lentäen kahdeksikkoa.

SeaWing on vain yksi esimerkki ilmailutekniikan soveltamisesta. Toinen on ranskalaisen Ayron kehittämä Oceanwings, joka on moottori- ja tietokoneohjauksinen purje. Se koostuu kahdesta pystyasennossa olevasta metallilavasta, jotka muistuttavat muodoltaan lentokoneen siipeä.

Purjeen anturit seuraavat jatkuvasti tuulen nopeutta ja suuntaa, ja tietokone määrittää purjeelle optimaalisen kulman ja säätää sen moottorin avulla.

Oceanwings voi laskelmien mukaan leikata aluksen polttoaineenkulutusta jopa 42 prosenttia. Sitä testataan 121 metriä pitkällä laivalla, jolla on tarkoitus kuljettaa Ariane 6 -avaruusraketin osia Euroopasta Etelä-Amerikassa Ranskan Guayanassa sijaitsevaan laukaisukeskukseen.

Alankomaissa suunnitellaan niin ikään siipimäisiä pystyrakenteita. Econowind-yhtiö kehittää pystysuoraa siipeä, joka on käännettävissä tuulen suunnan mukaan niin, että se saa aina aikaan suurimman mahdollisen alusta eteenpäin vievän paine-eron.

Econowinds-yhtiön pystysiivet kuljettavat rahtialusta eteenpäin eri puolilla vallitsevan paine-eron avulla. Samalla tavalla lentokoneen siipi saa aikaan nostovoimaa.

© Econowind

Siiven sisällä toimii pumppu, joka imee ilmaa siiven takareunasta itse siipirakenteeseen ja painaa sen ulos yläosasta. Tällöin siiven taakse syntyy alipaine, joka ”imullaan” voimistaa ilman ohivirtausta ja samalla kasvattaa eteenpäin kuljettavaa voimaa.

Siipeä voidaan käyttää muun muassa konttialuksissa. Siitä on olemassa versio, jossa kaksi siipeä on asennettu taittomekanismilla varustettuun 40 jalan konttiin. Siivet voidaan siis kääntää kontin sisään, kun on liian tyyntä tai myrskyisää tai tuulee väärästä suunnasta.

Moottorit pannaan pienemmälle

Alusten kehittäjät eivät ainoastaan lainaa ilmailulta, vaan he myös hyödyntävät vanhoja, hylättyjä keksintöjä, kuten Flettner-roottoria, jonka saksalaisinsinööri Anton Flettner kehitti noin sata vuotta sitten.

Vaikka tekniikka ei aikoinaan lyönyt itseään läpi, siinä oli itua. Nyt Flettner-roottori on tekemässä paluun uuden sukupolven purjelaivojen osana.

Flettner-roottori hyödyntää Magnuksen ilmiöksi kutsuttua fysiikan ilmiötä. Se syntyy, kun ilma osuu pyörivään kappaleeseen, kuten lieriöön tai palloon. Sillä puolella, joka kiertää tuulen suuntaan, ilmavirtaus kiihtyy. Vastakkaisella puolella se taas hidastuu.

Ilmavirtauksen nopeuden muuttuminen saa aikaan ylipaineen sille puolelle, jossa virtaus hidastuu. Siksi kappale kaartuu siihen suuntaan, jossa ilmavirtaus kiihtyy.

Ylipainetta voidaan käyttää hyväksi aluksessa pystysuorilla pyörivillä lieriöillä, jotka saavat aikaan eteenpäin kuljettavaa voimaa, kun tuuli puhaltaa sivusuunnasta.

© Scandlines

Tuulipylväs työntää laivaa

M/F Copenhagen -lautta on varustettu Flettner-roottoriksi kutsutulla pyörivällä lieriöllä. Roottori saa aikaan eteenpäin kuljettavaa voimaa, kun siihen osuu sivutuuli.

© Ken Ikeda Madsen

1. Tuuli osuu roottoriin

Tuuli puhaltaa roottoriin suorassa kulmassa suhteessa menosuuntaan. Roottorin etuosa pyörii myötätuuleen, takaosa puolestaan vastatuuleen.

© Ken Ikeda Madsen

2. Pyörintä luo paine-eron

Lieriön pyöriminen kiihdyttää ilman ohivirtausta etuosassa ja hidastaa sitä takaosassa. Koska ilma virtaa hitaammin roottorin takana, sinne syntyy ylipaine.

© Ken Ikeda Madsen

3. Tuulipylväs vie eteenpäin

Ylipaine roottorin takana työntää lieriötä ja kuljettaa alusta eteenpäin. Siksi moottoreita voidaan käyttää pienemmällä teholla. Polttoaineenkulutus pienenee, mutta nopeus ei.

Muun muassa saksalainen tuulivoimaloiden valmistaja Enercon on varustanut E-Ship 1 -kuljetusaluksensa neljällä roottorilla, ja maailman suurimman logistiikkayhtiön, Maerskin, Pelican-aluksessa niitä on kaksi.

Magnuksen ilmiö esiintyy myös silloin, kun tennispallo pyörii ilmalennon aikana. Kiertoliike kiihdyttää ilmavirtausta pallon toisella puolella ja hidastaa sitä toisella puolella. Erilaisen virtausnopeuden vuoksi pallon toiselle puolelle syntyy ylipaine ja toiselle puolelle alipaine.

Siksi pallon rata kaartuu alipaineisen puolen suuntaan, ja siitä seuraa esimerkiksi, että pallo, joka ylhäältä katsottuna pyörii taaksepäin suhteessa menosuuntaansa, nousee ilmassa. Magnuksen ilmiö esiintyy sekä kaasuissa, kuten ilmassa, että nesteissä, kuten vedessä.

Tuulivoima valloittaa

Yhteistä melkein kaikille nykyisille suurissa rahtialuksissa käytettäville tuulitekniikoille on polttoaineenkulutuksen pienentäminen. Ne eivät siis tee laivoista 100-prosenttisesti tuulella kulkevia. Asiaan on tulossa muutos jo viidessä vuodessa.

Etenkin Pohjolassa suunnitellaan uudenlaisia purjealuksia. Edustava esimerkki on norjalainen Vindskip, jossa yksi suuri pystyasennossa oleva siipi tuottaa vastakkaisten puolten välisellä paine-erolla eteenpäin kuljettavaa voimaa – myös silloin, kun tuulee normaalisti alusta jarruttavasta suunnasta.

🎬 Purjealus on yhtä suurta siipeä

Vindskip pystyy purjehtimaan pitkään hyvin pienellä moottoriteholla ja kuluttaa siten jopa 60 prosenttia vähemmän polttoainetta kuin vastaava öljykäyttöinen rahtialus.

Kun Vindskip on pitkä harppaus matkalla kohti ilmastoneutraalia merenkulkua, ruotsalaisen Wallenius Marinen Oceanbird alkaa olla jo perillä.

Suunnitelmien mukaan 200 metriä pitkä ja 40 metriä leveä rahtialus ylittää Atlantin 12 päivässä pelkästään tuulen kuljettamana. Vuonna 2024 valmistuvaan alukseen mahtuu jopa 7 000 henkilöautoa.

Alus on varustettu teleskooppipurjeilla, jotka ovat pisimmillään 80-metrisiä ja nostavat kokonaiskorkeuden 105 metriin. Purjeet on valmistettu teräksestä ja yhdistelmämateriaaleista, joissa on käytetty yleensä lasikuitua.

Kääntymällä 360 astetta purjeet optimoivat työntövoiman suhteessa tuulen suuntaan, ja neljän moottoriohjauksisen teleskooppinivelen ansiosta purjeet menevät kokoon. 45 metrin minimipituutta voidaan käyttää esimerkiksi purjehdittaessa myrskyssä tai alitettaessa siltoja.

Oceanbird on varustettu apumoottorilla, jota saatetaan tarvita muun muassa saavuttaessa satamaan. Wallenius Marinen mukaan apumoottori perustuu vihreään tekniikkaan, mutta yksityiskohdat ovat vielä hämärän peitossa.

🎬 Maailman suurin purjealus merellä

Aluksen kehittäjien mukaan Oceanbirdin hiilidioksidipäästöt ovat 90 prosenttia pienemmät kuin samankokoisen fossiilista polttoainetta käyttävän rahtilaivan. Ruotsin elinkeinoministeri totesi vuoden 2020 lopulla, että hän näkisi mielellään Oceanbird-tyyppisten alusten ”armadan” huolehtivan kansainvälisistä merikuljetuksista.

Viitteitä siitä, että toive voi toteutua, on jo olemassa.

Ainakin Britannian liikenneministeriön raportissa ennustetaan, että jopa 45 prosenttia maailman kauppalaivoista, joita on nykyään 40 000, kulkee tuulen avustuksella vuonna 2050.