Vielä kerran Teraloop: voisiko se toimia kiinteänä renkaana?

Voisiko Teraloopin energiaa varaava liikkuva massa kannatella itse itseään? Teimme laskelmat ja esittelemme ne tässä.

Haluaisimme uskoa, että Teraloopin konsepti voisi toimia. Tämä jo siksi, että valtio on antanut yhtiölle 260 000 euroa Tekes-lainaa, ja olisi hienoa saada sille rahalle vastinetta. Olemme aiemmin analysoineet konseptia läpi fysiikan kannalta ja tehneet myös yksinkertaisen laskurin, jolla realismin rajoja voisi arvioida. Teki laskut miten tahansa, ne tuntuvat päätyvän aina samaan lopputulokseen: konsepti ei toimi, ellei fysiikan lakeja muuteta.

Päätimme antaa Teraloopin idealle vielä yhden mahdollisuuden. Moni on keskusteluissa esittänyt, että jos Teraloop olisi junavaunujen sijasta kiinteä rengas, se ei tarvitsisi ehkä magneetteja muuhun kuin levitointiin. Materiaali voisi ehkä kannatella itse itseään. Tämä ehdotus ei ole Teraloopin julkaistun toimintaidean mukainen, mutta toisaalta yhtiö on itsekin todennut että sen konsepti on todellisuudessa täysin erilainen kuin julkisuudessa olleet tiedot. Ehkä tämä on se suuri oivallus, joka mahdollistaa ajatuksen?

Lisää matematiikkaa…

Tasapainossa pyörivän renkaaseen muodostuu keskeiskiihtyvyyden johdosta kehän suuntainen jännitys, joka voidaan laskea kaavasta

s = ω^2* ρ * ( R1^2 + R1*R2 + R2^2) / 3   

Missä s:n yksikkö on Pa (= N/m^2), ω on kulmanopeus (rad/s) ja ρ on aineen tiheys (kg/m^3), joka teräksellä on 7800 kg/m^3. R1 ja R2 ovat renkaan ulko- ja sisäsäde.

Koska renkaan kehän poikkipinta-ala suhteessa renkaan säteeseen on hyvin pieni ja käytännössä R1≈R2≡R, voidaan kaava muuttaa yksinkertaisempaan muotoon.

s = ρ * ω^2* R^2   

Olemme tehneet tällekin tehtävälle laskurin, jossa arvoja voi pyöritellä. Voimme myös piirtää kuvan, josta nähdään jännitys suhteessa renkaan kehänopeuteen. Renkaan säde tai kehän poikkipinta-ala eivät vaikuta tulokseen, yllä oleva kaavio pätee kaiken kokoisille teräsrenkaille, joiden kehän halkaisija suhteessa renkaan säteeseen on vähäinen, kuten Teraloopin tapauksessa. Kuten alempana lasketaan, rengas murtuu jos kehäjännitys ylittää 640 MPa arvon, mikä rajoittaa kehänopeutta erittäin rajusti.

Terästen lujuusrajoitteet

Jännityksen SI-järjestelmän mukainen yksikkö on Pascal (Pa), eli N/m^2. Terästen lujuus ilmoitetaan Pascalin pienuudesta johtuen yleensä Megapascaleina, MPa. 1MPa vastaa noin 100 tonnin painoa yhden neliömetrin alueella. Teräkselle määritellään erikseen myötölujuus ja murtolujuus. Jos valmistamme lujuusluokan 8.8-pulttimateriaalista teräslangan, jonka poikkipinta-ala on 1 mm^2, sen varaan voisi ripustaa 64 kg:n massan, ilman, että langassa tapahtuu pysyvää muodonmuutosta, eli ilman, että ns. myötölujuus (640 MPa) ylittyy. Yli 80 kg:n massalla lanka katkeaa, koska aineen murtolujuus (800MPa) ylittyy. Myötö- ja murtolujuuden välissä teräkseen jää pysyvä muodonmuutos, joten rakenteet tulee mitoittaa myötölujuuden mukaan. Tämä esimerkiksi valittu koneenrakennusteräs on noin kaksi kertaa lujempaa kuin tavallinen rakenneteräs.

Laskurin avulla on mahdollista hahmottaa joitakin ratkaisuja, jotka saattaisivat olla kokonaisuutena teoriassa lähes saavutettavissa. Esimerkiksi teräsrengas (tiheys 7800 kg/m^3) jonka sisäsäde on 1,8 metriä ja renkaan säde 250 metriä, tuottaa 290 m/s nopeudella seuraavanlaisia arvoja: energia 1,5 GWh, g-voimat 34 g, kokonaispaino 125 tuhatta tonnia, ja jännitys 660 MPa. Energia on siis kymmenesosan siitä arvosta, jota Teraloop mainoksissaan lupaa, ja siitä huolimatta jo tämäkään rengas ei tule kestämään murtumatta kovin kauan.

Tunnelin sädettä kasvattamalla päästään hiukan suurempiin energioihin, mutta energia kasvaa kuitenkin vain suhteessa säteeseen. Esimerkiksi 2500-metrinen tunneli tuottaa noilla arvoilla vain 20 GWh patenttihakemuksen lupaaman TWh:n sijaan.

Venymäongelma

Kokonaan toinen kysymys on, miten tuollainen rengas voitaisiin valmistaa. Se ei voi olla pelkkää terästä, koska siinä pitää olla maglev-tekniikka yms. massaa, joka ei kanna kuormaa. Mitoituksessa ei muutenkaan voi mennä noin lähelle myötörajaa. Mitoitus pitää tehdä väsyttävälle kuormalle, sillä laitteen pitää kestää lukuisia lataus- ja purkukertoja. Sallittu jännitys jäisi käytännössä huomattavasti tässä laskettua teoreettista maksimia pienemmäksi, kun kaikki mitoitukseen vaikuttavat tekijät otetaan huomioon.

Läheskään aina lujuusmitoituksissa ei tarvitse laskea rakenteen venymiä. Teräs nimittäin venyy kun sitä kuormitetaan. Koska Teraloop on valtavan suuri rakennelma, lasketaan varmuuden vuoksi myös renkaan venymä. Tähän käytetään Hooken lakia:

s = E * є

missä s on jännitys, E on kimmokerroin (teräksellä 210 GPa) ja є on suhteellinen venymä. Koska haluamme laskea venymän, muutetaan kaava muotoon:

є = s / E

є = 0,64 GPa / 210 GPa = 0,003

Renkaan kehän pituus ja sen myötä renkaan halkaisija venyvät 0,3 % sen saavuttaessa myötörajan. Patenttihakemuksessa renkaan halkaisija oli 5000 metriä. Sen kokoinen teräsrengas venyisi täydellä pyörimisvauhdilla peräti 5000m * 0,003 = 15 metriä. “Donitsi” siis leviäisi täydessä vauhdissa kohti tunnelin ulkoseiniä 7,5 metriä joka suuntaan, ja hidastuessaan kutistuisi taas normaaliin kokoonsa. Kuten normaalilla mielikuvituksella varustettu lukija voi kuvitella, tästä aiheutuu jälleen korillinen lisäongelmia.

Pienempi 500-metrinen prototyyppi venyisi 1,5 metriä. Tämän kokoinen vaihtelu saattaisi teoriassa, ehkä, juuri ja juuri, olla siedettävissä esimerkiksi sähkömagneeteilla, mutta kiinteät magneetit eivät tähän kykene.

Venyminen antaa käytännössä kovan ylärajan sille, kuinka suureksi Teraloop-tyyppinen systeemi voitaisiin rakentaa. Vaikka 250-metrinen pilotti onnistuisi jollakin keinolla juuri ja juuri, sitä suuremmaksi laitetta ei juurikaan voi enää kasvattaa. Nopeus ei myöskään voi näistä arvoista nousta juuri ollenkaan.

Voimme toki ajatella korvaavamme teräksen jollain toisella materiaalilla, mutta jätämme lukijoiden haasteeksi keksiä materiaali, joka olisi tähän tarkoitukseen terästä parempi ja jonka kustannus on riittävän alhainen.

Teräskään ei tässä ole aivan ilmaista. Jotta energiaa saisi vähänkään järkeviä määriä, massan pitää olla yli 100 000 tonnia. Teräksen hinta vaihtelee suuresti, mutta on tyypillisesti satoja euroja/tonni. Pienenkin Teraloopin vaatiman raakateräksen hinta olisi siis vähintään 10 miljoonan euron paikkeilla. Koska terästä joudutaan käytännössä prosessoimaan, loppuhinta olisi useita kertoja suurempi -- olettaen, että tällaista rengasta edes pystyisi todellisuudessa valmistamaan.

Tässä kirjoituksessa esitettyjä arvioita voi toki tarkentaa mallintamalla Teraloopin tukirakenteita yms. tarkemmin, mutta tämä ei tule muuttamaan mitään olennaista. Valitettavasti fysiikan lait iskevät rajusti vastaan tässäkin tarkastelussa.

Yhteenveto

Kiinteä rengas ei näytä pelastavan konseptia, vaikka löytyykin konfiguraatioita jotka ovat ainakin hiukan sinnepäin. Jos renkaaseen halutaan varastoida merkittäviä määriä energiaa, sen pitää pyöriä todella lujaa. Tällöin renkaaseen kohdistuu suuria jännityksiä, ja se venyy ja supistuu pyörimisvauhdin mukana. Tällöin metalliin voi muodostua myös väsymisvaurioita.  

Maailmalla on esitetty konsepteja, joissa suuri määrä energiaa varastoidaan valtavan suuriin massoihin (ks esim täältä). Nämäkään ratkaisut eivät ole suuresti edenneet, ja ne ovat silti kertaluokkaa helpompia toteuttaa kuin Teraloop.

Teraloop on sinällään yrittämässä ratkaista aivan olennaista ja tärkeää ongelmaa; valitettavasti sen ehdottama ratkaisu ei näytä toimivan millään tasolla. Energiaa on tällä hetkellä erittäin vaikea varastoida erittäin suuria määriä. Tällä alueella tehdään maailmalla koko ajan monipuolista tutkimus- ja kehitystyötä, ja tutkimusta kannattaisi ehdottomasti tukea myös Suomessa. Tuki täytyisi kuitenkin osata kohdentaa sellaisiin hankkeisiin, joissa on edes jotakin realismia takana.

Tämän kirjoituksen on tehnyt ryhmä fysiikan ja tekniikan alan ammattilaisia kollektiivisesti. Kirjoitus julkaistaan yhtä aikaa omissa blogeissamme. Kirjoittajat aakkosjärjestyksessä: Kaj Luukko (Gaia-blogi), Jani-Petri Martikainen (PassiiviIdentiteetti-blogi), Jakke Mäkelä (Zygomatica-blogi), Rauli Partanen (Kaikenhuippu-blogi), Aki Suokko (Palautekytkentöjä-blogi), Ville Tulkki.