Vaikea teollisuushistoria

Suomen rautateiden kehityshistoria on mielenkiintoinen. Suomessa seurattiin kansainvälisiä trendejä, turvallisesti hieman jäljessä. 1800- luvun puolessa välissä meillä syntyi todellinen rautatiekuume. Senaattori Snellman puhui innostuneesti rautateiden puolesta. Asian vauhditti osaltaan se, että Venäjä oli suunnittelemassa ratayhteyttä Pietarista Helsinkiin. Suomessa kuitenkin emmittiin kansallisen rataverkon rakentamista. Suomea pidettiin jotenkin erityisenä, rautatien sosiaalisia vaikutuksia (väestön liikkuvuutta) pelättiin, rautatietä pidettiin turhana ja liian kalliina, ja ehdotettiin enintään kapearaiteisia ratoja. Onneksi Venäjä ilmoitti, että kapearaiteiset radat eivät käy. Loppu onkiin sitten niin sanotusti historiaa. 

Kun rautateiden rakentaminen pääsi vauhtiin, niiden merkitys tuli pian ilmeiseksi. 1800-luvun loppuun mennessä rautateille hankittiin 310 veturia. Lisäksi hankittiin 755 henkilövaunua ja peräti 8500 tavaravaunua Tämä suhde kuvastaa rautateiden luonnetta. Niistä tuli tärkeä osa teollista infrastruktuuria. Minusta erityisen kiinnostavaa on, että suuri osa vetureista rakennettiin Suomessa. Valtionrautateiden konepaja Helsingissä valmisti 1800-luvun puolella kuusi veturia. Vuoteen 1907 mennessä Tampereen pellava- ja rautateollisuusyhtiö rakensi 127 veturia, ja rautatietä oli tuolloin jo 3000 kilometriä. 

Historiantutkimus voi lähestyä rautateiden kehittämistä dokumenttien, lehtiartikkeleiden ja yleisemmän aikakautta kuvaavan materiaalin avulla. Rautatiehankkeet saivat alkunsa lopultakin poliittisista päätöksistä, joita edelsi kiivas debatti. Tilannetta helpotti, että Suomi oli jälkijunassa. Rautatiepäätösten edellytykset ja seuraukset ymmärrettiin pitkälti muiden maiden kokemusten pohjalta. Silti mieltäni jäi askarruttamaan, miten Suomi aluksi vaikutti niin itseensä sulkeutuneelta, vanhoilliselta ja nurkkakuntaiselta. Mutta muutamaa vuosikymmentä myöhemmin suomalaiset konepajat suorastaan kilpailevat siitä, kuka saisi suunnitella ja rakentaa valtakunnalle vetureita, aikansa huipputekniikkaa. Historiankirjoitus kertoo, että konepajat ilmaisivat kiinnostusta, joka johti valtiovallan tilauksiin. Mutta miten ne arvioivat olevansa kyvykkäitä siihen? Miten ne rohkenivat tarjota vetureita? Ja miksi ne selvisivät tehtävästä? Tätä on vaikeampi ymmärtää. 1800- luvun Suomen konepajoissa oli yleensä ulkomainen mestari tai omistaja, silti tuuntuu hurjalta. Taustalla on monia teknologisia tekijöitä, ei pelkästään kaupasta saatavat tulot: aiempi teknologinen kokemus ja osaaminen, yleinen tieto teknologiasta, arviot teknologioiden kypsyydestä, laajemmat strategiset tavoitteet, kuten kokemuksen ja osaamisen hankkiminen synergisiin hankkeisiin. Tällaisia asioita voisi arvailla - mutta historia ei kerro. 

Toinen esimerkkini liittyy rautateiden sähköistäminen. Luin hiljattain asiaa koskevan tutkimuksen. Asiaa lähestyttiin taas yhteiskunnallisen debatin kautta, valottaen erilaisia näkemyksiä. Tosiasia on, että rautateiden sähköistys käynnistyi Suomessa myöhään - 1960- luvun lopulla. Ja se eteni tavattoman verkkaisesti. Oliko syynä teknologiset ongelmat, vai jotkut talouteen liittyvät yleisemmät asiat? Artikkelissa oli myös katsaus sähköjunien teknologiaan. Pystyin ymmärtämään sen vain vaivoin - koska olen itse sähkötekniikan ammattilainen. En usko, että selostus avautui kenellekään, jolla ei ole insinööritaustaa, sen verran outo tuo esitys oli. 

Oma käsitykseni sähköistyksen viipymisestä on seuraava. Aluksi teknologian epävarmuus jarrutti kehitystä. Odotellessa tehtiin päätös siirtyä höyrykalustosta dieselvetureihin. Samaan aikaan - Yhdysvaltojen esimerkin mukaan - arvailtiin että maantieliikenne syrjäyttää rautatiet. Rautateitä ei ylipäätään haluttu kehittää. 2000- luvulla on - taaskin ulkomaisen esimerkin mukaan - alettu elämään kiskoliikenteen renessanssia.

Ehkä turhankin masentava kuva teknologiaan liittyvästä poliittisesta päätöksenteosta. Teknologian ajopuuteoria. Tehdään heikkoja päätöksiä lähinnä jäljitellen muuta maailmaa, ja turvallisesti jälkijunassa. 

Joten ajatukseni oli nyt tarkastella hieman sähköliikenteen teknologisia reunaehtoja. Koska ne eivät tule normaalissa tarkastelussa kovinkaan selvästi esille. Ja varmasti ne vaikuttavat päätöksentekoon. Käyttäväthän komiteat asiantuntijoina insinöörejä, joiden mielipiteet sitten enemmän tai vähemmän hyvin suodattuvat niihin pöytiin, joissa asiat lopulta lyödään lukkoon.

Aluksi yleisen havainto, jota en ainakaan itse ole huomannut kenenkään historiantutkijan korostaneen. Höyrykone oli 1700- luvun suuri innovaatio, ja sitä sovellettiin pian myös laivoissa ja junissa. Sähkö oli seuraava suuri käyttövoimainnovaatio. Ilman muuta sitä koetettiin soveltaa kiskoliikenteessä lähes välittömästi, kun se oli teollisella asteella, eli 1800- luvun lopulta alkaen. (Polttomoottori saavutti rautatiekäytön edellyttämän kypsyyden oikeastaan vasta toisen maailmasodan jälkeen dieselmoottorin muodossa). Ja sitten se havainto. Kun mennään niihin suuriin tehoihin, joita vetureissa tarvitaan, megawattiluokan tehoihin, ongelmaksi muodostuu voimansiirto. Siis se, kuinka muutetaan voimakoneesta saatava voima tasaiseksi työntövoimaksi, liikkeellelähdöstä aina huippunopeuteen. Höyrykone on voimansiirron kannalta jokseenkin ihanteellinen. Se antaa suuren vetovoiman nollakierrosluvusta lähtien aina huippunopeuteen, ilman kytkintä ja vaihteistoa. Ja säätö tapahtuu yksinkertaisesti höyryventtiilin avulla. Nuorin tulokas, dieselmoottori, edustaa tehonsäädön tekniikan toista ääripäätä. Sen hyödyllinen kierroslukualue on kapea. Siksi se tarvitsee kytkimen ja vaihteiston. Ja suurella, megawattiluokan tehoalueella nämä mekaaniset komponentit ovat todella ongelmallisia. (Siksi monet nykyaikaiset dieselveturit ovatkin sähköisiä: dieselmoottori pannaan tekemään sähköä, joka sitten viedään sähköisille ajomoottoreille; tuntuu monimutkaiselta - ja onkin sitä).

Lukija arvaa jo. Sähköveturin ongelmakenttä liittyy sähkömoottorin tehonsäätöön. Sähköveturien kehitys on siis sähkömoottorin tehonsäädön kehityshistoriaa. Historiallisesti vanhin moottorityyppi, tasavirtamoottori, otettiin välittömästi ja menestyksellisesti käyttöön raitiovaunuissa ja kaivosjunissa. Moottorin tehoa ohjattiin säädettävän etuvastuksen avulla. Se oli yksinkertainen menetelmä. Vaikka sen hyötysuhde oli osateholla huono, sillä ei juuri ollut väliä näissä kohtuullisen teholuokan sovelluksissa.

Valitettavasti tasavirta ei sovellu pitkän matkan juniin, joissa sähkö pitäisi syöttää satojen kilometrien päähän, ja veturien tehot olivat kertaluokkaa suuremmat kuin raitiovaunuissa. Sähkön siirtohäviöiden takia jännite pitäisi nostaa 10- 50 kertaiseksi raitiolinjoihin verraten. Mutta se ei onnistunut 1900- luvun alun teknologialla. Moottorin suurin käyttöjännite jää eristysongelmien takia muutamaan kilovolttiin, siis kertaluokkaa liian pieneksi. 

Oli siis siirryttävä vaihtovirtaan, jonka jännitettä voidaan helposti nostaa tai laskea muuntajien avulla. Ainoa helposti säädettävä vaihtovirtamoottori on liukurengasmoottori. Mutta se on kolmivaiheinen, tarvitaan kolme rinnakkaista ilmajohtoa yhden asemasta. Tällaisia vetureita kokeiltiin saksassa 1910- luvulla. Ne olivat kompakteja ja yksinkertaisia, ja niillä ajettiin helposti 200 km/h nopeudella. Mutta kolmivaiheinen ilmajohto oli käytännössä ylivoimaisen vaikea rakentaa ja ylläpitää. 

Tasavirtamoottorin tehoa säädetään muuttamalla käyttöjännitettä, mutta jännitteen muuttaminen on hankalaa. Vaihtovirralla taas  jännitteen muuttaminen sujuu helposti säätömuuntajalla. Sen toisiokäämissä on väliulosottoja, joista valitaan oikea jännite käämikytkimellä. Se on yksinkertainen ja kompakti ratkaisu. Ja jos vaihtovirran taajuutta pienennettäisiin riittävästi, vaihtovirtaa voitaisiin syöttää sopivalla tavalla rakennettuun tasavirtamoottoriin, niin sanottuun sekavirtamootoriin*. Näin tehtiinkin. Ensimmäiset rakennetut sähkörautatiet käyttivätkin 16 2/3 Hz vaihtovirtaa. Tämä taajuus on tasan 1/3 normaalista vaihtovirrasta, ja sähköradoille syötettävä jännite voitiin synnyttää pyörivillä muuttajakoneilla.

Kehitys ei jäänyt tähän. Koko rataverkon käyttöjännitteen taajuuden muuttaminen oli ongelmallista. Tarvittiin pyörivä muuttajakoneisto jokaisella virran syöttöasemalla. Lisäksi näin pienellä taajuudella veturiin asennettavasta muuntajasta tulee painava. Olisi helpompaa, jos rautatiet toimisivat samalla taajuudella kuin muu sähköverkko. Seuraavassa vaiheessa sähköjunia varten kehitettiin sekavirtamoottoreita, jotka toimivat yleisen verkon 50 Hz taajuudella. Sitten, 1960- luvulla, syntyi puolijohdetekniikka. Käämikytkimeltä saatava vaihtovirta voitiin tasasuunnata tehodiodeilla ja syöttää tasavirtamoottoriin. Ei tarvittukaan enää kalliita sekavirtamoottoreita. Hyvin nopeasti myös käämikytkimillä varustettu säätömuuntaja korvattiin tavallisella muuntajalla ja ohjattavilla diodeilla eli tyristoreilla. Tämä järjestely osoittautui kestäväksi. Siitä syntyi ns. vallitseva tuotetyyppi, eli teknologinen vakioratkaisu vuosikymmeniksi eteenpäin.

Asetetaan nyt edellä kuvattu teknologinen kehityskulku Suomen rautateiden kehityshistorian janalle. Kun rautateiden sähköistys alkoi suurissa teollisuusmaissa 1910-luvulla, asiaa ei ilmeisesti koettu meillä ajankohtaisena. Vaikka valtakunta oli varsin hyvin sähköistetty (sähköntuotanto henkilöä kohti oli korkeimpia maailmassa), Suomessa ajeltiin kaikessa rauhassa höyryvetureilla toisen maailmansodan jälkeiseen aikaan. En tiedä, johtuiko viivyttely hankalasta teknisestä valinnasta (50 Hz vai 16 2/3 Hz taajuudella toimiva), vai yleisestä rautatieverkon laiminlyönnistä. Ja saattoi siinä olla turvallisuuspoliittinen näkökulma: höyryvetureilla saattoi ajella kotimaisella polttoaineella,

Sotien jälkeen tilanne oli muuttunut, ja vaihtoehtona oli dieselveturit tai sähköistys. Suomi valitsi dieselit, ehkä siksi, että oli jo myöhästytty sähköradoissa. Nopeaa sähköistystä ei ehkä pidetty mahdollisena. Siitä eteenpäin dieselit hidastivat sähköistystä, dieselveturit olisi ensin ajettava loppuun. Ratkaisuun saattoi vaikuttaa myös Yhdysvalloista käsin levitetty autoliikennettä korostava yhdyskuntasuunnittelun oppi. Sähköistys ilmeisesti koettiin kuitenkin väistämättömänä. Se alkoi pääkaupunkiseudun lähiliikenteestä, joka oli nopeasti kasvamassa. Siksi korvattiin aluksi  lähiliikennettä hoitaneet hidastempoiset, mutta monien mielestä nostalgiset siniset dieseljunat, lättähatut. Niiden tilalle tuli Strömbergin ja Valmetin kehittämät modernit sähkömoottorijunat (niitä on edelleen liikenteessä). Siitä eteenpäin sähköistys vietiin läpi valtakunnan rataverkoissa, tosin verkkaisen tahtiin, dieseleitä loppuun ajaen.

Kun pohditaan uusien teknisten infrastruktuurien rakentamista, olennainen kysymys on, milloin teknologian kehitys tasaantuu riittävästi, jotta investointeihin uskalletaan ryhtyä. Sähkörautateiden kohdalla vakiintunut ratkaisu oli suurjännitteinen yksivaiheinen vaihtovirtasyöttö ja 50 Hz taajuus. Mutta miten pian tällainen teknologinen tasanne tunnistetaan? Uusia innovaatioita ajatellen se on aina vain ajankohtainen ja vaikea kysymys. Olen käsitellyt näitä teknologioiden ja innovaatioiden dynamiikan kysymyksiä kirjassani ”Innovaattorin opas”.

Suomen rautateiden sähköistyshistoria noudatteli eurooppalaisia linjoja. Yhdysvallat rakennettiin tunnetusti sähkön ja rautateiden tahdissa. Mutta siellä auto- ja öljyteollisuus katkaisivat sähköistyksen. Jo sähköistetyiltä rataosuuksilta kerättiin ilmajohdot pois. Nykyisin vain Washington - New-York linja on sähköistetty.

*) Sekavirtamoottori on edelleen erittäin yleinen pienissä kodin koneissa, kuten sähkövatkaimissa, pölynimureissa, pesukoneissa, hiustenkuivaimissa ja sähkötyökaluissa

**) Ohitin eräitä pois käytöstä jääneitä kokeiluja, joista melko yleinen oli jo 1900- luvun alussa kehitetty Ward Leonard - käyttö: ratamoottorin tarvitsema säädettävä tasavirta kehitettiin veturissa ilmajohdon vaihtovirrasta muuntajalla ja pyörivällä muuttajakoneella.Toimii hyvin, mutta on kovin monimutkainen.

***) Helsingin metrossa, uusissa raitiovaunuissa ja eräissä uusimmissa sähköjunissa ja vetureissa myös junien moottorit ovat yksinkertaisia ja luotettavia vaihtovirtamoottoereita (oikosulkumoottoreita eli epätahtikoneita). Ratkaisuna perustana ovat tehopuoljohteisiin perustuvat taajuusmuuttajat. Ratojen jännitesyöttöön ei tarvita muutoksia. Strömberg Oy kehitti tämän teknologian ensimmäisenä maailmassa 1970- luvun lopulla.