Sähkön hyödyntämisen tehokkuus

YouTube -suosituksiini ilmestyi pari päivää sitten Veritasium-kanavan video otsikolla “The Big Misconception About Electricity”, jossa esitettiin, että sähkö ei ole vain “elektronien liikettä johtimessa” kuten usein kuulee väitettävän, vaan että jännitelähde, esimerkiksi paristo, tuottaa ympärilleen kentän, jonka vaikutus kulkeutuu toimilaitteelle (esimerkiksi hehkulampulle) johtimen ohjaamana, mutta pääasiassa sen ulkopuolella: https://www.youtube.com/watch?v=bHIhgxav9LY . Johtimeenkin syntyy kyllä elektronien liikettä, mutta se on kentän ja kytkennän aiheuttama sivuvaikutus. “Nykyään tiedämme, että sähkö on elektronien liikettä johtimissa” toteaa myös fyysikko Jim Al-Khalili muutoin mielestäni erinomaisessa BBC:n dokumentissa “The Story of Electricity” (esim. https://www.youtube.com/watch?v=NUUeGianTKM ), jonka alkuosassa kuvataan hyvin sähkön tutkimuksen vaiheita vuoteen 1800 saakka, jolloin Alessandro Volta keksi pariston.

Volta oli itsekin yllättynyt siitä, että hänen paristonsa tuotti jatkuvaa jännitettä, kun sähköä oli aiemmin havainnoitu vain hetkellisinä ilmiöinä. Voltan pariston avulla jännitettä voitiin tuottaa hallitusti, mikä mahdollisti sähkön systemaattisen tutkimuksen. Ensimmäinen sähkön käytännön sovellus oli valokaari, jonka havaittiin syntyvän pariston napoihin kytkettyjen johtimien päiden väliin. Valokaari tuotti nimensä mukaisesti valoa, mutta myös ääntä ja otsonia ja kun se oli kovin kirkas, niin se soveltui vain ulkotilojen valaisuun esimerkiksi rautatieasemilla. Suurempi este sen laajemmalle hyödyntämiselle oli kuitenkin se, että pariston metallilevyt kuluivat nopeasti valokaaren palaessa ja varhaisissa paristoissa oli muitakin käytännön ongelmia. Sähkön hyödyntäminen käytännön tehtäviin pääsi vauhtiin vasta sen jälkeen, kun sähkön ja magnetismin välinen yhteys oli havaittu 1820-luvulla. Keksittiin sähkömagneetti, jonka avulla voitiin muodostaa magneettikenttä kytkemällä käämin navat pariston napoihin. Sähkömagneetin käyttäminen ei rasittanut paristoa paljoakaan ja kun sähkömagneettia voitiin ohjata johtimen välityksellä pitkänkin matkan päästä, niin syntyi langallinen lennätin, josta tuli ensimmäinen laajemmin käytetty sähkön käytännön sovellus. Lennätin nopeutti viestintää huomattavasti aiemmin käytettyihin menetelmiin verrattuna ja monet pyrkivätkin tekemään siitä aina vain paremman. Tällä saralla työskenteli myös amerikkalainen Thomas Edison, jonka nimissä on kymmeniä lennättimeen liittyviä patentteja. Lennätinmarkkinat eivät kuitenkaan olleet kovin suuret ja Edison etsikin jotakin sellaista sähkön sovellusta, jota voitaisiin myydä joka kotiin. Sisätilojen valaisuun sopiva hehkulamppu oli tällainen ja Edison patentoikin sen vuonna 1880.

Voidakseen myydä hehkulamppuja asiakkailleen Edisonin täytyi rakentaa myös järjestelmä, jonka avulla lamppuja voitiin käyttää. Yksi vaihtoehto oli myydä paristo jokaiselle käyttäjälle, mutta pariston metallilevyt olisivat kuluneet nopeasti ja olisi pitänyt uusia usein, mikä olisi ollut hyvin työlästä. Sähkön ja magnetismin välisen yhteyden tutkiminen oli luonut myös perustan generaattoreille, joiden avulla pyörivästä liikkeestä voitiin tuottaa sähköä. Edisonin ratkaisu olikin rakentaa generaattori, jossa hyödynnettiin lennätinlaitteissa käytetyistä käämeistä kehitettyjä suurempia käämejä, joiden toiseen päätyyn oli asennettu roottori. Ratkaisu ei hyödyntänyt käämien tuottamia magneettikenttiä kovin tehokkaasti, mutta se toimi kuitenkin riittävän hyvin. Kaikki lähialueen hehkulamput kytkettiin johtimilla generaattoriin, jota pyöritettiin höyrykoneella. Näin syntyi ensimmäinen sähkönjakeluverkko. Käytännön syistä toiminta kannatti aloittaa paikasta, jossa oli mahdollisimman paljon asiakkaita pienellä alueella ja New Yorkin Manhattan oli juuri tällainen. Edisonilla oli kuitenkin edessään uusi haaste, sillä hehkulamppu ei lennättimen tapaan ollut täysin uusia ominaisuuksia tarjoava ratkaisu, sillä kaasuvalaisimista oli tullut kaupunkialueilla yleinen ratkaisu ja esimerkiksi Manhattanille oli jo rakennettu kaasunjakeluverkosto. Edisonin täytyi siis saada maanomistajat ja kaasunmyyjät puolelleen tukemaan hehkulamppua ja sähkönjakeluverkoston rakentamista. Edisonin vahvana hehkulamppua puoltavana argumenttina oli sen kaasuvalaisimia parempi turvallisuus ja tämän takaamiseksi Edison käytti järjestelmässään suhteellisen alhaista 110 voltin jännitettä, mikä tosin merkitsi sitä, että kauimmaiset hehkulamput eivät voineet sijaita kovin kaukana generaattorista ja siksi generaattoriasemia täytyi rakentaa maksimissaan parin kilometrin välein. Kaasunmyyjät tulivat Edisonin puolelle, sillä kaasua tarvittiin edelleen lämmitykseen, mutta he edellyttivät Edisonia kehittämään menetelmiä sähkön käytön mittaamiseen laskutusperusteeksi samalla tavoin kuin kaasun käyttöä mitattiin. Edison kehittikin mittausmenetelmiä, mutta hänen kerrotaan myös todenneen, että sähköstä tehdään niin edullista, että vain rikkaat tulevat polttamaan kynttilöitä. Edisonilla ei kuitenkaan ollut pitkään vaikutusvaltaa sähkön hinnoitteluun, sillä pitämällä itsepintaisesti kiinni omasta tasajännitejärjestelmästään hänet ajettiin ulos markkinoilta vuonna 1892, kun sähköä aletiin käyttää suurten vesiputousten energian valjastamiseen ja vaihtojännitejärjestelmät osoittautuivat selkeästi paremmaksi ratkaisuksi.

Edison oli sähkön hyötykäytön edelläkävijä ja monet kopioivat hänen ratkaisujaan yrittäessään vallata oman osuutensa uudesta markkinasta 1880-luvulla. New Yorkissa oli paljon potentiaalia ja sinne rakentuikin kattava sähköverkko, mikä yhdessä 1870-luvulla käyttökelpoisiksi kehittyneiden lyijyakkujen ja sähkömoottoreiden kanssa mahdollisti sen, että New Yorkissa oli 1900-luvun alussa noin 15000 akkusähköautoa. Ei ollut kuitenkaan tarkkaa tietoa siitä, miten sähköjärjestelmät todella toimivat ja että oliko Edisonin menetelmä millään lailla tehokas tapa hyödyntää sähköä. Sähköstä tuli kuitenkin myytävä tuote hiilen, kaasun ja myös öljyn rinnalle. Höyrykoneiden yleistyminen oli luonut maailmanlaajuiset markkinat hiilelle, jonka louhinnasta ja myynnistä oli tullut nopeasti kasvavaa liiketoimintaa. Nyt sähkö oli nousemassa hiilen ja kaasun rinnalle, mutta varsinkin Nikola Teslan toiminta herätti huolta sähkön asemasta myytävänä tuotteena ja siksi nähtiinkin tarpeelliseksi rajoittaa sähkön käytön laajentumista ja nostaa öljynjalosteita käyttävät polttomoottorit valta-asemaan. Tuettiin tieteellisiä teorioita, jotka tukivat sähkön asemaa vain keinona siirtää “energiaa”, jota tuotettiin esimerkiksi virtaavan veden avulla. Maailmansodat vahvistivat polttomoottorin ja öljyn asemaa. Valuutat irrotettiin kultakannasta, jotta niiden avulla voitiin helpommin ohjailla maailman toimintaa.

Mitä sähkö sitten oikeasti on ja kuinka sitä voitaisiin hyödyntää tehokkaasti? YouTubesta löytyi toinenkin edellä mainitsemaani Veritasiumin videon aihetta käsittelevä video https://www.youtube.com/watch?v=C7tQJ42nGno , jossa todetaan, että jännitelähteessä ja toimilaitteessa vaikuttava energia ei ole sama mutta on yhtä suuri. Mutta onko sen välttämättä oltava yhtä suuri, vai johtuuko tämä vain siitä tavasta, jolla virtapiiri on toteutettu? Nikola Teslan Wardenclyffen laitoksella oli “sadan hevosvoiman” tehoisen höyrykoneen pyörittämä generaattori, jonka tuottaman kentän avulla oli tarkoitus saada kaikki New Yorkin alueen sähkövalaisimet toimimaan. Teslan järjestelmässä ei siis käytetty johtimia ja valaisimet olisi tietenkin täytynyt olla suunniteltu ja rakennettu toimimaan tällaisessa kentässä. Kentän muodostamiseen tarvittava työ ja siinä toimivien toimilaitteiden tekemä työ eivät ole sidoksissa toisiinsa ja oikein toteutettuna jälkimmäinen voi olla paljon suurempi. Monet keksijät ovat vuosikymmenien varrella esitelleet tällaisia laitteita, esimerkiksi T.H. Moray, joka esitteli 1920- ja 1930-luvulla useaan otteeseen laitettaan, jonka avulla voitiin käyttää vastuskuormaa (esimerkiksi hehkulamppuja ja silitysrautoja) tuntien ajan ilman mitään ulkoista energianlähdettä, kun oli viritetty oikealle taajuudelle: http://www.cheniere.org/books/excalibur/moray.htm . Morayn laitetta vaivasivat kuitenkin yllättävät komponenttien rikkoutumiset, joille ei löytynyt selitystä eikä siten myöskään ratkaisua. Tom Bearden on kerännyt tuolle sivustolleen https://www.cheniere.org/ paljon materiaalia tällaisiin keksintöihin liittyen ja Beardenin mukaan sähkö on oikeasti ympäristössä olevia energiavirtauksia, joita voidaan käyttää tuottamaan valoa, lämpöä jne. Oleellista on se, kuinka tehokkaasti tämä pystytään tekemään eli esimerkiksi generaattorin ja lämmitysvastuksen muodostamassa virtapiirissä verrataan generaattorin akselin pyörittämiseen tarvittavaa työtä lämmitysvastuksen tuottamaan lämpöön. Sopivilla järjestelyillä generaattoriin voidaan hetkellisesti synnyttää magneettikenttiä, jotka pyrkivätkin liikuttamaan roottoria eteenpäin sen sijaan, että vastustaisivat sen liikettä kuten tavanomaisessa kytkennässä tapahtuu. Oleellista on siis käyttää sähköä mahdollisimman tehokkaasti tuottamaan valoa, lämpöä jne. eikä “tuottaa energiaa”, sillä sähkö on oikeasti ympäristössä olevaa energiaa, jota nykyisetkin sähkölaitteet hyödyntävät, mutta useimmiten hyvin tehottomalla tavalla.

 

0
Olli Taina
Sitoutumaton Hämeenlinna

Totuudenetsijä.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu