Uutiset

Tutkimus: Polttomoottori voi saavuttaa päästöttömän palamisen ja kaksinkertaisen hyötysuhteen

Argonia hyödyntävä uusi palamiskonsepti voi poistaa polttomoottoreiden typpioksidipäästöt kokonaan – ja nostaa hyötysuhteen kaksinkertaiseksi dieselmoottoreihin verrattuna.
Suuri rahtialus, joka on lastattu värikkäillä konteilla, purjehtii sinisen meren yli osittain pilvisen taivaan alla.
Argonsyklimoottori sopii erityisen hyvin kohteisiin, joissa tarvitaan erittäin korkeaa hyötysuhdetta, nollapäästöjä ja vihreän vedyn käyttöä polttoaineena - esimerkiksi meriliikenteeseen. Kuva: Adobe Stock

Aalto-yliopiston ja Turun yliopiston HyMar-hankkeessa on saatu lyhyessä ajassa tuloksia, jotka voivat mullistaa koko polttomoottoritekniikan. Ideana on polttoaineen palamisessa käytettävän ilman eli typpi-happiseoksen korvaaminen argon-happiseoksella. 

”Kyseessä voi olla todellinen pelinmuuttaja polttomoottoreille, sillä argonkaasun poikkeukselliset termodynaamiset ominaisuudet muuttavat palamisprosessia ratkaisevasti”, sanoo energiatekniikan professori Ville Vuorinen Aalto-yliopistosta.

Jos konsepti osoittautuu toimivaksi, sen ilmasto- ja energiatehokkuushyödyt ovat ennen näkemättömät. Argon-syklissä moottori ei tuota lainkaan typen oksideja (NOx), jotka ovat yksi haitallisimmista ilmasto- ja terveysvaikutuksia aiheuttavista päästöistä. Kun polttoaineena käytetään vihreää vetyä, moottori voi toimia täysin hiilivapaasti.

Samaan aikaan polttoaineenkulutus voi jopa puolittua ilman, että tehosta tingitään. Korkea hyötysuhde voi vauhdittaa uusiutuvien polttoaineiden läpimurtoa markkinoille, sillä se auttaa tasapainottamaan niiden alkuvaiheessa fossiilisia polttoaineita korkeampia tuotantokustannuksia.

Projektin tähänastinen läpimurto on palamisilmiöiden kuvaaminen optisessa moottorissa. Vuorinen kuvailee omin silmin näkemiään palamisilmiöitä hämmästyttäviksi. 

”Olemme tietääksemme maailman ensimmäinen tutkimusryhmä, joka on onnistunut kuvaamaan optisen moottorin avulla, mitä vedyn, argonin ja hapen palamisessa todella tapahtuu. Myös teoreettisia käyriä tukevat mittaukset osoittavat selvästi, että konsepti on teknisesti toteuttamiskelpoinen”, Vuorinen jatkaa. 

Uusia avauksia vihreän vedyn käyttöön

Vihreää vetyä pidetään tulevaisuuden polttoaineena, mutta sekään ei ole täysin päästötöntä. Vedyn palamisessa tarvitaan ilmaa, joka koostuu pääosin typestä. Korkeissa lämpötiloissa typpi reagoi hapen kanssa, jolloin syntyy NOx-päästöjä. Sama ilmiö koskee myös metaania, jota käytetään esimerkiksi LNG-laivoissa, eli nesteytettyä maakaasua kuljettavissa laivoissa, ja kaasuturbiineissa. 

Avain päästöttömään palamiseen on argon, joka korvaa ilmassa olevan typen. 

”Toinen argonin erityisominaisuus on, että se mahdollistaa huomattavasti korkeammat puristuslämpötilat ja -paineet kuin perinteinen ilmaseos. Tämä nostaa moottorin hyötysuhdetta selvästi, koska suurempi osa polttoaineen energiasta saadaan muutettua työksi lämpöhäviöiden sijaan”, Vuorinen kuvailee. 

Perinteisen bensiinimoottorin hyötysuhde on noin 20–30 prosenttia ja dieselmoottorin 30-40 prosenttia. Argon-syklissä hyötysuhde voi nousta jopa 70-80 prosenttiin.

Vuorisen mukaan tämä avaa ovia uusille puhtaille polttoaineille.

”Vety ei syty yhtä helposti kuin diesel ja ammoniakki syttyy melko huonosti. Argon-kierto voisi luoda näille polttoaineille ’dieselmäisiä’ ominaisuuksia, eli parantaa niiden syttyvyyttä ja palamisominaisuuksia”, hän toteaa.

Kamerat seuraavat palamisliekkiä

HyMar on Suomen Akatemian rahoittama hanke, jonka tavoitteena on tuottaa uutta tietoa vedyn ja metaanin palamisilmiöistä argon-syklimoottoreissa. Aallossa Vuorisen laskennallisen virtausmekaniikan ja palamisfysiikan tutkimusryhmä vastaa hankkeen kokeellisesta osuudesta yhteistyössä Staff Scientist Cheng Qiangin kanssa. Turun yliopiston tutkijat täydentävät hanketta omalla mallinnusosaamisellaan.

Aallossa on erittäin korkeatasoinen palamistutkimuksen laitteisto.

”Sen avulla voimme kuvata ja mitata argonin palamista yksityiskohtaisesti. Optisen moottorin kvartsilasinen mäntäikkuna mahdollistaa liekin syttymisen ja palamisilmiöiden tallentamisen suurnopeuskameroilla”, Qiang kertoo. 

Aiemmin argonin palamista on tutkittu vain yksinkertaisissa palokammioissa tai suljetuissa moottoreissa ja niissäkin erittäin rajallisesti.

”Seuraavaksi tutkimme tarkemmin, miten vety, argon ja happi käyttäytyvät moottorissa. Tavoitteena on syventää ilmiön tieteellistä ymmärrystä ja viedä argon-syklikonsepti kohti käytännön toteutusta”, Qiang jatkaa. 

Sovelluskohteita voimalaitoksista meriliikenteeseen

Tutkijoiden mukaan uusi argonsyklimoottori sopii erityisen hyvin kohteisiin, joissa tarvitaan erittäin korkeaa hyötysuhdetta, nollapäästöjä ja vihreän vedyn käyttöä polttoaineena. 

”Moottori on ihanteellinen teollisiin voimalaitoksiin, vetykeskuksiin ja kemianteollisuuden laitoksiin, jotka tavoittelevat täysin nollapäästöistä energiantuotantoa paikan päällä. Se on lupaava ratkaisu myös meriliikenteessä”, Qiang sanoo.  

Myös Vuorinen näkee sovelluskohteita laajasti.

”Näen argonsyklissä potentiaalia hyvin monenlaisille polttoaineille. Yli 80 prosenttia maailman energiasta tuotetaan yhä palamisprosessien kautta. Argonsykli tarjoaa keinon päästä kokonaan eroon NOx-päästöistä. On äärimmäisen motivoivaa jatkaa tutkimusta”, hän summaa. 



Teksti: Marjukka Puolakka
Kuva alla: Qiang Cheng ja Joakim Kapp

Kaksi pyöreää kuvaa, jotka näyttävät palamisen moottorin sylinterissä eri aikoina, vaihtelevilla valo- ja liekkikuvioilla.
Tutkimus on tuottanut erittäin lupaavia havaintoja optisen moottorin sisällä tapahtuvista palamisilmiöistä. Kuvassa näkyy vedyn syttyminen argon-happiseoksessa erittäin laihalla seoksella olosuhteissa, joissa se ei syttyisi itsestään tavallisessa ilmassa.
  • Päivitetty:
  • Julkaistu:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Two students and a professor sitting around a table, talking and looking at laptop screen.
Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Tule uusien tohtoriopiskelijoiden tutoriksi lukuvuonna 2026-2027

lmoittaudu uusien tohtoriopiskelijoiden tutoriksi orientaatiopäiville!
Kaasupoltin polttaa pinottujen puulevyjen sivua metallisessa testilaitteessa
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Biopohjaisilla palonestoaineilla kohti turvallisempaa rakentamista

FireSafe-hankkeessa kehitetään uusiutuvista materiaaleista turvallisempia ja kestävämpiä vaihtoehtoja nykyisille palonestoaineille.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Kommentoi Suomen avoimen tieteen ja tutkimuksen linjauksia

Kansallinen Avoimen tieteen ja tutkimuksen koordinaatio kutsuu tiedeyhteisöä kommentoimaan kahta avoimen tieteen linjausta.
Glitch-taidekuva sinipunaisesta aallosta, teksti 'Ja ihminen loi älyn' ja Aalto-yliopiston logo
Tutkimus ja taide, Yliopisto Julkaistu:

Uusi podcast valottaa tekoälyn syviä suomalaisia juuria

Tekoälytutkijat Arno Solin ja Eric Malmi haastattelevat alan konkareita, yrittäjiä ja huippuasiantuntijoita tekoälyn historiasta, mullistuksista ja ihmiskunnan tuhon todennäköisyydestä.