Nykyaikainen materiaalitekniikka ja automaatio on antanut mahdollisuuden soveltaa vanha keksintö käytäntöön. Viking Grace on maailman ensimmäinen matkustaja-alus, jossa käytetään Flettner-roottoria apuvoimana.
Roottoripurje tai Flettner-roottori perustuu Magnus-ilmiöön, jossa ilmavirrassa pyöritettävän pallon tai lieriön yhdelle puolelle syntyy alipaine ja toiselle puolelle ylipaine. Ilmiö oli tuttu jo Isaac Newtonille, joka 1600-luvulla tarkkaili kierteisiä tennislyöntejä. Saksalainen keksijä Anton Flettner kehitti teknologiaa 1920-luvulla ja myös suomalainen Sigurd Savonius kokeili tekniikkaa samoihin aikoihin. Sitten asia jäi unohduksiin lähes sadaksi vuodeksi.
Magnus-ilmiö antaa suuren voiman
Lentokoneen siiven noste perustuu siiven profiiliin, jonka ansiosta ilma kulkee nopeammin siiven yläpuolella kuin alapuolella. Tästä seuraa siiven alapuolelle suurempi ilmanpaine, joka kannattaa konetta. Tenniksen ja golfin pelaajat hyödyntävät samaa ilmiötä kierteisissä lyönneissään.
Pyörivän pallon tai lieriön pinnan kitka pyörittää mukanaan ohutta ilmakerrosta, ja kun tuuli virtaa kappaleen läpi, ilmavirran nopeus kasvaa yhdellä puolella ja pienenee toisella. Loppu on fysiikkaa, jota mm. Newton selventää mekaniikan kolmannessa peruslaissaan. Flettner-roottorissa lieriö on sileä ja sen mukanaan vetämä ilmakerros on hyvin ohut. Paine-eron aiheuttama voima on kuitenkin suuri, parhaimmillaan kymmenkertainen verrattuna esimerkiksi vastaavan kokoiseen perinteiseen purjeeseen.
Ilmavirrassa pyörivä sylinteri poikkeuttaa ilmavirtaa pyörimisensä suuntaan. Ilmavirran nopeus pienenee kuvan sylinterin alapuolella ja suurenee yläpuolella.
Videossa sylinteri on aluksi paikallaan ja alkaa sitten pyöriä, jolloin ilmavirta poikkeaa pyörimisen suuntaan.
Suomalainen Startup-yritys ryhtyi kehittämään
Norsepower Oy on vuonna 2012 perustettu teknologiayritys. Norsepowerin perustajaosakas ja toimitusjohtaja, sarjayrittäjä Tuomas Riski oli irtautunut edellisestä yrityksestään ja haki aktiivisesti seuraavaa hanketta cleantech-sektorilta. Jostain sitten nousi ajatus Flettner-roottorin kehittämisestä todelliseksi tuotteeksi.
– 1900-luvun alussa roottorin pyörimistä piti jatkuvasti optimoida manuaalisesti ja materiaalitekniikka aiheutti ongelmia, kertoo Riski. – Dieselkoneet olivat juuri valtaamassa alaa merenkulussa ja kukaan ei välittänyt saastuttamisesta, joten Flettner-roottori ei silloin saavuttanut enempää suosiota.
– Teimme ensimmäiset testit maalle asennetuilla roottoreilla ja saimme osoitettua teknologian toimivuuden. Automaatiotekniikka on ollut riittävällä tasolla pyörittämisen hallitsemiseksi jo 20–30 vuotta, mutta suuren, kevyen ja hyvin tasapainossa olevan sylinterin toteuttamiseen tarvittava materiaalitekniikka vasta noin 15 vuotta.
Viking Grace sai roottoripurjeen kannelleen keväällä ja lähti ensimmäiselle purjeen avustamalle matkalleen 12.4.2018.
Teknologiatestien jälkeen alkoi varustamoiden kiertäminen ja ensimmäiset kaksi roottoripurjetta toimitettiin Bore-varustamon M/S Estraden Ro-Ro -rahtialukselle vuosina 2014–2015. Viking Grace -risteilijä muuttui purjealukseksi huhtikuussa 2018.
Viking Line haluaa suojella Itämerta
– Ahvenanmaalaisena varustamona elämme keskellä merta ja sen hyvinvoinnin edistäminen on meille tärkeää, sanoo Viking Linen markkinointijohtaja Kaj ”Tico” Takolander. – Pyrimme jatkuvasti vähentämään päästöjä ja olemme käyttäneet vähärikkistä polttoainetta aluksillamme jo pitkiä aikoja. Viking Grace on ensimmäinen matkustajalaiva, joka käyttää polttoaineenaan nesteytettyä maakaasua eli LNG:tä. Nyt se on myös ensimmäinen ”hybridi”.
– Tämä ei ole ”viherpesua” tai mainoskampanja. Tämä on luonnollinen askel johdonmukaisessa kehityksessämme ympäristön vaalimiseksi. Tekeminen puhuu enemmän kuin puheet. Puhdas Itämeri ja kaunis saaristo ovat meille elinehto.
Varta vasten rakennettu Bunkrausalus ”Seagas” on Tukholmassa valmiina välittömästi Viking Gracen tullessa satamaan. Bunkraus eli kaasutankkien täyttäminen LNG:llä kestää noin 40 minuuttia ja se tehdään viitenä päivänä viikossa.
Lyhyen kokemuksen perusteella Norsepowerin tekemät simulaatiot roottoripurjeen toiminnasta Viking Gracella näyttävät pitävän paikkansa. Vuotuinen LNG-säästötavoite on noin 300 tonnia, mikä merkitsee samalla 900 tonnia pienempiä CO2-päästöjä vuodessa. Viking Line on tilannut uuden 2800-matkustajan risteilijän, jonka on määrä valmistua vuonna 2021. Alus tullaan varustamaan kahdella roottoripurjeella.
Kehittynyttä teknologiaa
Viking Gracen roottoripurje on korkeudeltaan 24 metriä ja halkaisijaltaan neljä metriä. Aluksen kannelle helikopterikentän viereen on rakennettu terästorni, jonka ulkokuorena on komposiittimateriaalista valmistettu pyörivä roottori. Koko rakennelman paino on suuruusluokkaa 30 tonnia, mutta pyörivä osa painaa vain noin 7 tonnia.
Roottoripurjeen periaatteellinen rakenne on suhteellisen yksinkertainen, mutta käytännön toteutus on vaatinut paljon kehitystyötä.
Roottoripurjeen sisällä on sähkömoottori, joka pyörittää roottoria enimmillään 225 kierroksen minuuttinopeudella. Moottorin keskimääräinen energiankulutus on noin 15–35 kilowattia (kW) ja hyvällä tuulella roottoripurje antaa alukselle jopa 20 tonnin työntövoiman, joka vastaa jopa noin 3 000 kW pääkonetehoa.
Kaukaa katsottuna roottoripurje vaikuttaa vaatimattomalta, mutta aluksen kannelta tarkasteltuna se on juhlallinen ilmestys.
Aluksen komentosillalla on roottorin pyörimistä ohjaava automatiikka, joka huomioi tuulen suunnan ja nopeuden ja ohjaa roottorin pyörimisnopeutta ja -suuntaa sen mukaisesti optimaalisen tehon tuottamiseksi. Paras teho saavutetaan, kun apparentti tuuli on suoraan sivusta. Todellisen tuulen kannalta tämä tarkoittaa sivumyötäistä.
Roottoripurjeen toiminta nähdään komentosillalla monitorista. Kevyessä myötätuulessa apparentti tuuli on melkein suoraan edestä, mutta roottori tuottaa silti yli 100 kW:n työntötehon.
Heikoin teho syntyy suorassa vasta- ja myötätuulessa. Kuitenkin jo muutaman asteen viisto tuuli tekee roottorin pyörittämisen kannattavaksi ja mahdollistaa kohtuullisen työntövoiman tuottamisen. Viking Grace siis nousee tuuleen hyvinkin jyrkästi.
Tuulienergiaa käyttävä Flettner-roottorilla kulkeva 1920-luvun alus ”Buckau”, joka myöhemmin nimellä ”Baden Baden” ylitti Atlantin.
Norsepower aikoo suureksi yhtiöksi
Norsepowerin roottoripurje on periaatteessa vanhaa tekniikkaa, mutta teknisen toteutuksen monet yksityiskohdat on suojattu patentein. Kehitystyö on tullut maksamaan tähän mennessä noin 10 miljoonaa euroa ja viime vuonna yhtiö saavutti yhden miljoonan euron liikevaihdon. Tavoitteet ovat kuitenkin korkealla.
Yhtiön teknologia on saanut vuodesta 2015 lähtien useita kansainvälisiä palkintoja laivojen energiatehokkuuden ja sähköistämisen ympäriltä. Viimeisin on juuri saavutettu WWF:n Climate Solver -palkinto. Kilpailun viidestä palkitusta yrityksestä kolme oli suomalaisia ja Norsepower yksi niistä.
Kuluvana vuonna Norsepower hioo edelleen teknologiaansa ja pyrkii saavuttamaan uusia tilauksia. Yhtiö arvioi teknisen etumatkansa suhteessa kilpailijoihin olevan useita vuosia. Yhtiön tavoite on kääntyä voitolliseksi vuonna 2020 ja saavuttaa 100 miljoonan euron liikevaihto vuonna 2024.
Yhdellä roottoripurjeella voi Tuomas Riskin mukaan säästää noin 300 henkilöauton polttoaineenkulutuksen – ja kahdella roottoripurjeella 600 auton. Järjestelmä maksaa itsensä takaisin suunnilleen 4 vuodessa, kun keskimääräisen asennuksen hinta on noin 1,5 miljoonaa euroa. Säiliöalukset ovat Riskin mielestä suurin potentiaali ja niitä seilaa maailman merillä noin 7 000. Kemikaalitankkereita on lisäksi yli 5 000 ja Ro-Ro -aluksia reilut 4 000. Suomalaisella teknologialla on siis mahdollisuuksia.
Jouko Lampila
