Kitka ja kasvihuonepäästöt kuriin materiaalien digitoinnilla

​Kitkaa eli liikevastusta syntyy, kun kaksi pintaa hankaa toisiaan vasten. Entisaikaan kitkaongelmat korjattiin vääntämällä koneen tehoja suuremmalle, mutta nykyään energiaa pitää säästää ja kasvihuonekaasuja vähentää.

– Tänä päivänä viidennes kaikesta energiasta kuluu kitkan voittamiseen. Suurimmat energian käyttäjät ovat teollisuus ja liikenne, jotka käyttävät yhteensä kaksi kolmannesta maailman energiasta. Henkilöautoissa 30 prosenttia energiankulutuksesta kuluu kitkaan. Teollisuudessa vastaava luku vaihtelee 10 ja 40 prosentin välillä, kertoo tutkimusprofessori Kenneth Holmberg VTT:ltä.

Tribologia eli kitkatutkimus on suhteellisen uusi, 1960-luvun lopulla syntynyt tieteenala, joka tutkii kitkaa, kulumista ja voitelua. Tribologiassa käytetään poikkitieteellistä tarkastelutapaa, jossa hyödynnetään fysiikkaa, kemiaa, matematiikkaa ja koneensuunnittelua.

Kansainvälinen energiajärjestö IEA on arvioinut, että tribologisin menetelmin aikaansaadulla energiatehokkuudella on merkittävä rooli ilmaston lämpenemisen rajoittamisessa kahteen asteeseen vuoteen 2050 mennessä.

​– Viimeisten 20 vuoden aikana tribologiassa on kehitetty aivan uusia tapoja tutkia kitkan vähentämistä. Yksi tapa on pinnoittaa toinen pinta liukkaalla aineella. Kaikkein liukkaimmat pinnat ovat tänä päivänä jo sata kertaa liukkaampia kuin 20 vuotta sitten, Holmberg sanoo.

Kitkaa voidaan vähentää myös muuttamalla materiaalia, eli käyttämällä hyvin ohuita nanomateriaaleja, metalleja tai polymeerejä. Materiaalin pintaan voi myös tehdä kitkaa vähentäviä kuvioita, uria tai kuoppia, joita kutsutaan materiaalin topografiaksi. Kolmas tapa on käyttää väliaineita ja voitelua. Tällä hetkellä voiteluöljyyn lisätään kitkaa vähentäviä hiukkasia, kuten esimerkiksi grafeenia.

– Eri tavat vähentää kitkaa soveltuvat erityyppisiin kohteisiin. Alhaisin kitkakerroin 0,0005 on laboratorio-olosuhteissa saatu aikaan hiilipinnoitteella. Hiilipinnoitteista on jo olemassa kaupallisia sovelluksia, ja parhaillaan kehitetään erilaisia lisäaineita, Holmberg kertoo.

– Hyvin alhainen kitkakerroin on saavutettu myös biomolekyyleillä, jotka jäljittelevät nivelen toimintaa. Tämä kitkan vähennysmenetelmä perustuu osin biomimiikkaan, jossa matkitaan luonnon ilmiöitä.

Tribology Gold Medal Award -palkinto jaettiin ensimmäisen kerran vuonna 1972, ja se on jaettu 38 henkilölle 12 eri maasta. Palkinnosta käytetään myös nimitystä ”Tribologian Nobel-palkinto”, koska siinä käytetään Nobel-palkinnon myöntömenettelyä

​Tietokone on muuttanut materiaalitutkimusta, jota perinteisesti tehtiin kokeellisesti laboratoriossa.

– Vielä 20 vuotta sitten tietokoneet eivät olleet tarpeeksi tehokkaita, mutta nykyisillä huipputehokkailla tietokoneilla voi tehdä digitaalista moniskaalamallinnusta, makroja mikrotason mallinnusta sekä atomitason mallinnusta. Materiaalia ja sen käyttäytymistä pääsee tietokoneen ruudulla tarkastelemaan erilaisilla materiaalin rakenteen ja hierarkian tasoilla, kertoo VTT:n johtava tutkija Anssi Laukkanen.

Materiaalin mallintamisessa kohde näytetään aina ulkoa päin. Mutta uusinta alalla on integroitu digitaalinen materiaalin mallinnus, jossa myös materiaalin sisältö mallinnetaan. Kun esimerkiksi tiettyä koneen osaa pääsee katsomaan sen sisäinen materiaalirakenne huomioiden, voidaan nähdä millaisia jännityksiä ja halkeamia siihen voi syntyä.

– Integrointia voi tavoitteesta riippuen tehdä useilla eri tavoilla, esimerkiksi linkittämällä toisiinsa eri mittaskaaloja atomitasolta komponenttitasolle tai eri aikaskaaloja pikosekunneista tuhansiin vuosiin. Integrointia voi tehdä myös yhdistämällä itse materiaalin valmistusprosessi sen mikrorakenteeseen, ominaisuuksiin tai suorituskykyyn, Laukkanen selittää.

​– Se, missä VTT:llä on huippuosaamista, on materiaalin mikrorakenteen mallintaminen ja kitkakosketukset. Olemme ensimmäisinä maailmassa kehittäneet integroidun digitaalisen materiaalimallin, jossa yhdistetään materiaalin todellinen pinta 3D-rakenteeseen, Holmberg kertoo.

– Me voimme mennä digitaalisesti materiaalin sisälle ja katsoa, kuinka se käyttäytyy eri olosuhteissa. Voimme näyttää, kuinka materiaali elää, kun sitä kuormitetaan, sanoo erikoistutkija ja tuotepäällikkö Tomi Suhonen.

– Digitaalisen mallintamisen ansiosta yhtä komponenttia ei tarvitse rakentaa 50:stä eri materiaalista ja kokeilla sitten, miten se käyttäytyy. Sen sijaan tehdään tietokonemallinnus, jossa muutetaan komponentin rakennetta. Silloin nähdään tarkasti heikot kohdat materiaalissa ja esimerkiksi se, mikä on vetojännitys tietyssä kohdassa, Suhonen kertoo.

Mallintamisesta syntyy valtava kvantitatiivinen tietokanta, jonka avulla voidaan laskea trendejä ja todennäköisyyksiä.

– Kun materiaalit ovat digitaalisessa muodossa, voimme panna ne tekemään mitä haluamme. Voimme mallintaa jopa materiaalia, jota ei edes ole olemassa. Näemme mitä tapahtuisi, jos sitä voitaisiin valmistaa. Voimme suunnitella uusia materiaaleja ja katsoa vasta sitten, kannattaako niitä tehdä, Holmberg selittää.

​Tänä päivänä yritykset tutkivat aktiivisesti materiaalien kitkan ja kulumisen vähentämistä, ja uudet, energiankulutusta ja kasvihuonepäästöjä vähentävät tuotteet tulevat aikanaan markkinoille. On arvioitu, että digitaalinen materiaalien mallinnus voisi puolittaa tutkimus- ja tuotekehitysajan.

– VTT:n kehittämän, moniskaalamallinnusta tekevän ProperTune®-työkalun läpimurto tapahtui kolmisen vuotta sitten, minkä jälkeen tutkimustoimeksiannot ovat moninkertaistuneet, Tomi Suhonen kertoo.

VTT:n tutkimusosaamista ovat hyödyntäneet muun muassa KONE hissien nostokoneiston komponenttien kulumisen ennustamisessa ja Metso Mineralsin kivenmurskauslaitteen kulumiskestävyyden mallintamisessa. ProperTunella on mallinnettu myös autojen jarrujen ja paperikoneiden telojen toimintaa, lasinvalmistusta, ultralujia teräksiä, ydinjätteen loppusijoituksessa käytettyjä komponentteja, 3D-tulostettuja metallikomponentteja, biopolymeerejä sekä dieselmoottorin komponentteja.

Alan tutkimus on kansainvälisesti verkottunutta. Eri tutkimuslaitokset auttavat toinen toistaan kehitystyössä.

– Jos kitkan ja kulumisen vähentämiseen satsataan koordinoidusti tribologisilla menetelmillä, lyhyellä tähtäimellä eli 5–8 vuodessa, voidaan globaalisti säästää 18 prosenttia energian kulutuksessa. Pitkällä tähtäimellä eli 15 vuodessa energiaa säästyisi 40 prosenttia, Kenneth Holmberg sanoo.

Säästöt vaihtelevat eri aloilla. Kaivosteollisuudessa säästöt olisivat suurimmat, joskin uusia menetelmiä otetaan siellä käyttöön nihkeästi. Raskaassa liikenteessä, missä uutta tekniikkaa otetaan käyttöön nopeasti, säästöt voisivat olla lyhyellä tähtäimellä 25 prosentin luokkaa. Energiantuotannossa energiaa säästyisi noin 20 prosenttia.

– Kasvihuonepäästöt ovat linjassa energian kulutuksen kanssa, Holmberg sanoo.

Holmbergin mukaan kehittyneiden tribologisten menetelmien käyttöönotto voisi vähentää hiilidioksidipäästöjä maailmanlaajuisesti 1 460 miljoonalla tonnilla. Se toisi lyhyellä tähtäimellä 450 000 miljoonan euron suuruiset kustannussäästöt. Pidemmällä tähtäimellä hiilidioksidipäästöjä on mahdollista vähentää 3 140 miljoonalla tonnilla, minkä seurauksena kustannuksia säästyisi 970 000 miljoonan euron edestä.