Uutta rautakautta odotellessa

Raudan, tai oikeammin teräksen valmistus on maanviljelyksen jälkeen eniten maailmaa mullistanut keksintö. Rautakausi teki mahdolliseksi tehokkaat työkalut ja koneet. Teollinen vallankumous moninkertaisti teräksen tuotannon – mutta teräs ei ole juurikaan parantunut. Muinaisajoista tunnettu damaskoksen teräs ja japanilaiset miekat edustivat materiaalitekniikan huippua.

Paremmille materiaaleille olisi kyllä valtava tarve. Tarvittaisiin terästä tai muita materiaaleja, joiden lujuus olisi paljon nykyisiä parempi, ja samoin tarvittaisiin materiaaleja, jotka kestäisivät paljon nykyisiä korkeampia lämpötiloja.

Ajoneuvoissa tarvittaisiin moottoreita, joilla olisi parempi hyötysuhde. Eräs keino olisi kohottaa moottorin toimintalämpötilaa. Se parantaisi termistä hyötysuhdetta kahdella tavalla: itse termodynaaminen prosessi toimisi paremmalla hyötysuhteella, ja jäähdytys olisi helpompaa järjestää, kun erityistä nestekiertoa ei tarvittaisi, vaan ilma- ja säteilyjäähdytys riittäisi. Yritykset kehittää keraamista korkean lämpötilan moottoria ovat toistaiseksi epäonnistuneet.

Korkeammat toimintalämpötilat parantaisivat myös sekä tavallisten lämpövoimaloiden että ydinvoimaloiden hyötysuhdetta. Lisäksi uudet ydinvoimalat olisivat nykyisiä turvallisempia, ja tuottaisivat huomattavasti vähemmän ydinjätettä. Myös fuusiovoimalassa tarvitaan parempia materiaaleja.

Ilmailu hyötyisi myös. Korkea lämpötila toisi taloudellisemmat turbiinit. Erityisesti avaruuslennot hyötyisivät. Rakettipolttoaineiden hapetin muodostaa pääosan polttoaineen painosta. Käyttämällä startissa ilmasta otettavaa happea avaruusalusten laukaisu mullistuisi. Pienet, siivekkäät ja sulavalinjaiset avaruusalukset veisivät hyötykuormat avaruuteen murto-osalla nykyisestä energiamäärästä ja kustannuksista, Mutta se asettaa moottorien materiaaleille äärimmäisiä vaatimuksia. Myös alusten rungon lämpösuojaus vaatii erikoismateriaaleja.

Miksi sitten uusien materiaalien kehittäminen on niin vaikeaa? Materiaalin lujuus määräytyy atomien elektroniverhon muodostamien sidoksien lujuudesta. Sille asettaa rajan sähköisen vetovoiman suuruusluokka. Se on tietenkin ylittämätön raja, koska kyseessä on fysiikan perusvakio. Mutta jotain voidaan tehdä. Erittäin lujia sidoksia löytyy kiteisistä rakenteista, kun ne ovat mahdollisimman puhtaita. Hiili on eräs lupaava aine. Esimerkkejä ovat hiileen perustuvat timanttikalvot, hiiliputket ja fulleriinit. Muutkin alkuaineet lienevät mahdollisia, mutta niitä tunnetaan toistaiseksi huonosti. Toinen mahdollisuus on harkittu epäpuhtauksien käyttö ja erilaisten aineiden yhdistely, kuten tapahtuu erilaisissa lejeeringeissä ja komposiittiaineissa. Aivan uusi asia on käyttää komposiiteissa nanoluokan aineskokoja.

Keskeinen lujuuteen vaikuttava tekijä on lämpötila. Lämpötilan kohotessa molekyylien lämpöliike alkaa jossain vaiheessa purkaa atomien välisiä sidoksia. Alkaa tapahtua fysikaalisia faasimuutoksia ja kemiallisia reaktioita, jotka pilaavat aineen tekniset ominaisuudet. Noin tuhannesta asteesta ylöspäin alkaa jo tulla vakavia vaikeuksia. Tässäkin fysiikka asettaa rajat. Voidaan tietenkin pyrkiä hyödyntämään luonnostaan vaikeasti sulavien aineiden yhdistelmiä.

Vaikeuksia on oikeastaan kaksi. Ensinnä pitää löytää teknisiltä ominaisuuksiltaan lupaavia kidemuotoja, yhdisteitä ja komposiitteja, kuten teräksen tai eräiden muiden metallien seostaminen nanoluokan keraamipartikkeleilla. Toinen vaikeus on löytää niille taloudellinen valmistusmenetelmä. Ehkäpä näemme aikanaan konstruktiomateriaaleja, joiden lujuudet ovat kymmenkertaisia, ja lämpötilan kestot 2-3 kertaisia nykyisiin verrattuina. Mutta se vaatii kyllä paljon aikaa ja vaivaa.