Energi og kommunikasjon [10] 8290388993, 8290388357 [PDF]

Zitiervorschau

VITENSKAPENS VERDEN

ENERGI OG KOMMUNIKASJON Redaksjonen: Dr. David Blackburn og Professor Geoffrey Holister Norsk oversettelse og bearbeiding: Erik Tronstad

ILLUSTRERT VITENSKAPS BIBLIOTEK

Innhold Forord

3

Energi 1 2 3 4

Maskiner og motorer Elektrisitet Kjernekraft Alternative energikilder

5 11 17 25

Bolig og forsvar 5 Boliger 6 Forsvar og angrep

33 41

Kommunikasjon

7 Trykking 8 Telekommunikasjoner 9 Radio og fjernsyn

47 53 61

Transport 10 11 12 13 14

Jernbanetransport Veitransport Vanntransport Lufttransport Romtransport

69 75 85 93 101

Foredling og bearbeiding

15 Utvinning av råstoffer 16 Bearbeiding av råstoffer 17 Nye materialer

105 113 121

Ordliste Register

125 126

VITENSKAPENS VERDEN □ «Energi og kommunikasjon» □ Norsk utgave © Norsk Fogtdal A/S 1988 □ Norsk redaksjon: Marte Askeland □ Oversatt og bearbeidet av Erik Tronstad □ Engelsk originaltittel: «Encyclopedia of Modem Technology» □ © Equinox (Oxford) Ltd. 1987 □ I redaksjonen: Dr. David Blackburn og professor Geoffrey Holister □ Forfattere: David Blackbum, Nigel Cross, David Goreham, Ben E. Hill, David Hodges, Geoffrey Holister, Denis Ridgeway, Martin Sherwood og Graham Warwick C Sats: Laursen Tønder □ Trykk: Dansk Heatset Rotation I/S, Odense □ ISBN 82-90388-99-3 (24 bind, komplett) □ ISBN 82-90388-35-7 (bind 10 «Energi og kommunikasjon»).

Forord Blant menneskets primærbehov er mat og vern mot omgivelsene. Fra å oppholde seg i huler og enkle hyt­ ter av tregreiner og dyreskinn, har mennesket etter hvert utviklet en avansert arkitektur. Valg av bygge­ materialer har tradisjonelt i stor grad vært bestemt av hvilke materialer som var lokalt tilgjengelige, byggeskikker, og av klimatiske forhold. Det er uten videre klart at det stilles ulike krav til hus i forskjellige klima­ tiske strøk, noe som har vært med på å prege arkitek­ turen i ulike deler av verden. Mer avanserte byggeskikker har krevd bedre redska­ per enn bare enkle hjelpemidler av bein og stein. Like­ ledes oppstod et behov for bedre og mer effektivt landbruksutstyr da mennesket ble bofast, begynte med planmessig oppdyrking av jord og dannet de første jordbrukssamfunn. Blant annet som følge av slike be­ hov, kan vi si at de første samfunnene var materialsamfunn, der videre utvikling i stor grad var bestemt av evnen til å utvikle og ta i bruk nye materialer. Hvor viktig slike materialer var for disse epokene, gjenspei­ les tydelig i de navnene vi har satt på dem: Steinalde­ ren, bronsealderen og jernalderen. Både bronse- og jernalderen krevde kunnskaper om hvordan man kun­ ne frembringe høye temperaturer, noe som måtte for­ midles fra generasjon til generasjon. Også i vår teknologiske tidsalder er materialutvikling et felt det forskes intenst på. Derfor er det i denne boken naturlig å ta med noen kapitler om dette. Den neste viktige epoken i menneskehetens tekno­ logiske utvikling har ikke fått noe eget navn, men en passende betegnelse ville være energialderen. Evnen til å omgjøre energi i stor stil på en kontrollert måte dannet nemlig grunnlaget for det vi kaller den indu­ strielle revolusjon. En helt ny epoke i vår historie ble innledet med dampmaskinen, som i løpet av 1700-tallet ble utviklet til en praktisk brukbar innretning. For første gang fikk mennesket en kraftkilde det selv hadde full kontroll over, noe som gjorde det mulig å automatisere mange tunge og arbeidskrevende operasjoner som før hadde vært manuelle. Dampmaskinen, som for det meste ble drevet med kull, satte en i stand til å legge produksjonsenheter atskilt fra energikilder, som kullforekomster. Med vann- og vindkraft, som hadde vært benyttet i hundre­ vis av år til mange formål, var man prisgitt naturens luner. Produksjonsmidler, som møller, som baserte seg på vannhjul, måtte for eksempel bygges der det var elver, og deres produksjonskapasitet var til enhver tid

bestemt av elvenes vannføring. På samme måte kunne vindmøller bare brukes når det var vind. Med dampmaskinen, og senere med elektrisiteten, kunne all industri, og en rekke andre aktiviteter, foregå nesten helt uavhengig av naturens limer. Dampmaski­ ner kunne plasseres der det var mest hensiktsmessig å ha dem og det produksjonsutstyret de skulle drive. Kullet som trengtes for å drive dem, kunne så fraktes dit dampmaskinene var, noe som i sin tur førte til økt behov for pålitelige og effektive transportsystemer. Dette fungerte dermed som en viktig pådriver i utvik­ lingen av nye transportsystemer, som jernbanen. Samtidig som dampmaskinen hadde sin storhetstid på 1800-tallet og i begynnelsen av vårt århundre, så dens arvtaker, elektrisiteten, dagens lys. Med den ble det mulig på en enkel måte å frakte store energimeng­ der over betydelige avstander. Elektrisiteten danner på mange måter også grunnla­ get for det moderne informasjonssamfunn, en av be­ tegnelsene vi bruker på vår egen tid. Andre er atom­ alderen og romalderen. Alle disse innfallsvinklene til vår egen tid er omtalt i denne boken. Vårt moderne informasjonssamfunn hadde sin spe­ de begynnelse i oppfinnelsen av telegrafen, telefonen og trådløs radiooverføring i forrige århundre. Telefo­ nen, som er en selvfølgelig del av vår hverdag, er for­ resten et godt eksempel på hvor vanskelig det kan væ­ re å vurdere betydningen av en ny oppfinnelse, noe følgende historie viser. Da nyheten om Alexander Graham Bells oppfinnel­ se av telefonen nådde England, gjorde den lite inn­ trykk på teknisk sjef i det britiske postverket. «Ameri­ kanerne,» sa han, «trenger telefonen, men ikke vi. Vi har massevis av bud.» Borgermesteren i en amerikansk småby var derimot vilt begeistret. Han mente telefo­ nen var en strålende innretning og kom med følgende, for tiden dristige og radikale spådom: «Jeg ser for meg at det vil komme en tid da hver eneste by vil ha sin egen telefon.» Vi lever i en tid og et samfunn preget av moderne teknologi, på godt og vondt. På alle kanter er vi omgitt av utstyr vi bare har vage anelser om hvordan funge­ rer, og som derfor ofte betraktes med større eller min­ dre grad av mystisisme. Denne boken er et forsøk på å gi en populær innføring i virkemåten og den histori­ ske utvikling bak noe av dette utstyret. Bedre forståel­ se av og kunnskaper om dets virkemåte vil forhåpent­ ligvis også fjerne noe av denne mystisismen. Erik Tronstad

Maskiner og motorer Oppfinnelsen av dampmaskinen... Dampturbinen... Forbrenningsmotoren... Gassturbinen og jetmotoren... PERSPEKTIV... De første dampmaskinene... James Watt og den klassiske dampmaskinen... Stirlingmotoren... Dieselmotoren... Raketter

Motorer er maskiner som omgjør varme til mekanisk arbeid. De forekommer i to hovedtyper: Forbrenningsmotoren, der drivstoffet forbrennes inni en sylinder, og dampkraftmaskiner der forbrennin­ gen skjer utenfor selve kraftmaskinen. Det viktigste eksempelet på en dampkraftmaskin er dampmaskinen, der energien i varm damp omgjøres til arbeid ved å bevege et stempel i en sylinder. Dampma­ skiner var bokstavelig talt drivkraften bak Den industrielle revolu­ sjon og ble på 1800-tallet brukt til å drive alle mulige slags maski­ ner, som fabrikkmaskiner, gruvepumper og skip, tog og biler. Den opprinnelige dampmaskinen, slik den ble utviklet på 1700-tallet, baserte seg på at vann utvider seg idet det går over til damp, og trekker seg sammen igjen når det kondenserer. Den vekselvise utvi­ delsen og sammentrekningen inni en lukket sylinder drev stempe­ let opp og ned, noe som så kunne brukes til å drive en pumpe eller omgjøres til roterende bevegelser ved hjelp av et svinghjul. Den grunnleggende konstruksjonen ble forbedret utover 1800-tallet, noe som ga større mekanisk effektivitet og økt anvendelighet. Dampkjelen er en lukket beholder som forsynes med vann for å lage damp. Bedre teknikker for stålproduksjon gjorde det på slut­ ten av 1800-tallet mulig å lage kjeler som kunne motstå trykket som trengs for å kunne overoppvarme dampen (slik at den fikk en temperatur som var høyere enn den temperaturen som vann normalt koker ved). Dette ble vanligvis gjort ved å sende dampen gjennom smale rør i kjeleveggen. Damp med høy temperatur og trykk kan brukes mer enn én gang, og det ble på 1800-tallet laget «dobbel-» og «trippelekspansjonsmaskiner». Den overopphetete dampen ble ført inn i en liten høytrykkssylinder, og spilldampen ført videre til større andre- og tredjesylindre, mens temperatur og trykk falt etter som dampen passerte gjennom systemet. Stemplene var festet til én eneste drivaksel ved hjelp av flere kammer. Slike maskiner var lette og kraftige, godt egnet til bruk i skip. De første dampmaskinene 11698 tok den engelske ingeniøren Thomas Savery (ca 1651-1715) patent på den første praktisk anvendbare dampmaskinen, der han utnyttet prinsipper utarbeidet av den franske oppfinneren Den is Papin (1647-ca 1712). Papin, som opprinnelig var lege og assistent hos Christiaan Huygens og Pobert Boyle, og oppfant både trykk-kokeren og sik­ kerhetsventilen, hadde håpet å kunne bygge en båt drevet aven maskin som brukte utvidelsen og for­ tetningen av damp til å bevege et stempel inni en sylinder. Han bygde en prototype som han demon­ strerte i Marburg i Tyskland i 1690 (der han på den tiden var professor i matematikk og fysikk), men fikk liten støtte. Saverys konstruksjon utnyttet undertryk­ ket som oppstod når dampen kondenserte i sylinderen, til å løfte vann opp et rør. Dampens

passering fra kjelen tilarbeidskammeret måtte kon­ trolleres manuelt med en stoppekran som krevde konstant oppmerksomhet. Saverys maskiner ble tatt i brukt i tinngruvene i Cornwall. Til dette ble konstruksjonen forbedret av jernvarehandleren Thomas Newcomen (1663-1729), hvis «brannmaskiner» ble innstallert i gruver over hele Storbritannia. Newcomen innførte et stempel festet til en tung, overhengende stang. Stangens vekt skjøv stempelet opp og trakk damp inn i sylinderen. En automatisk ventil stengte for åpningen til kjelen og førte kaldt vann rundt sylinderen. Dampen kondenserte og laget et undertrykk i sylinderen som dro stempelet ned igjen og fullførte syklusen. Selv Newcomens maskin brukte mye drivstoff fordi sylinderen måtte varmes opp på nytt for hver takt.

▲ Thomas Saverys damppumpe fra 1698 hadde ikke noe stempel, men kan likevel betraktes som den første dampkraftmaskin. Den hadde to ovner, hver med sin kjele der det ble produsert damp som ble sendt til de to sylindrene. Sylindrene ble deretter avkjølt med vann på utsiden, slik at dampen ble avkjølt og kondenserte. Dette ga et undertrykk som trakk vann opp gjennom røret gjennom en enveisventil. Slik kunne maskinen brukes som gruvepumpe. Maskinen var ikke utstyrt med noen sikker­ hetsventil. Den fikk liten praktisk anvendelse, men var en forløper for senere maskiner.

6 Kronologi Første århundre f.Kr. Hero fra Alexandria laget innretning som kunne omgjøre damp til roterende bevegelse 1690 Denis Papin beskrev dampmaskin som brukte sylinderstempel 1698 Thomas Savery tok i England patent på en enkel dampmaskin 1712 Thomas Newcomens mer r "

praktisk anvendbare dampmaskin ble tatt i bruk ved Dudley Castle i Staffordshire 1718 Henry Beighton oppfant en mekanisme der en ventil kunne arbeide ubetjent 1769 James Watt tok patent på dampmaskin som var utstyrt med kondensator 1781 James Watt tok patent på

planetgir 1782 James Watt tok patent på den såkalte dobbeltvirkende damp­ maskinen 1787 James Watt oppfant sentrifugalregulatoren 1791 John Barber i England bygde gassturbinmotor 1799 William Murdock oppfant skyveventilen

----------- --------------------------

Den klassiske dampmaskinen Den viktigste forbedringen i dampmaskinens kon­ struksjon stod den skotske oppfinneren James Watt (1736-1819) for. Han innførte i 1769 en egen konden­ sator, en modifikasjon som skilte de varme og kjølige delene av arbeidssyklusen fra hverandre og tillot sylinderen å holde konstant temperatur. 11782 innførte han så et dampinntak i hver ende av sylinderen, og utviklet den såkalte «dobbeltvirken­ de» maskinen, der stempelet drives av damp i begge retninger. Hans senere maskiner, som ble produsert i store antall av firmaet Boulton & Watt, hadde ytterligere to modifikasjoner som gjorde at de kunne drive produksjonsutstyr. (Nevnte firma hadde Watt startet sammen med Matthew Boulton i 1774). Som Newcomen brukte Watt stempelet til å bevege en stang, men omgjorde bevegelsen til rotasjon ved hjelp av et svinghjul drevet av planetgir; og han utviklet den såkalte sentrifugalregulatoren, en av de første mekanismene for automatisk tilbakekobling. Når den roterte, skjøv sentrifugalkraften to kuler utover, og en kobling stengte inntaksventilen og bremset ned maskinen. Slik kunne maskinen gå med konstant hastighet. Watts grunnleggende konstruksjon ble, med en del modifikasjoner, brukt utover hele 1800-tallet. Den viktigste forbedringen var til en maskin som brukte damp under trykk, en utvikling Watt selv nølte med fordi han Ikke trodde det var mulig å lage dampkjeler som var sterke nok.

A Watts dobbeltvirkende maskin hadde en vertikal sylinder (til venstre) og et stempel som ble drevet av damp vekselvis oven- og nedenfra. Sylinderens temperatur ble holdt konstant fordi den utblåste dampen gikk til en egen kondensator (under). Maskinen var om lag fire ganger mer effektiv enn Newcomens 70 år eldre utgave av dampmaskinen.

Dampturbinen Selv om den konvensjonelle dampmaskinen ble stadig mer kompli­ sert og gjennomgikk flere forbedringer for å tilpasse den til ulike behov, ble den aldri i stand til å omgjøre mer enn 12 prosent av drivstoffets energi til mekanisk arbeid. I 1880-årene konstruerte Charles Parsons (1854-1931) en slags dampmaskin som i prinsippet var langt enklere - faktisk like enkel som en vindmølle - og mer effektiv. I dampturbinen brukes dampens bevegelse til å rotere skovler festet til en sentral aksel, slik at dampens arbeid direkte overføres til en rotasjonsbevegelse. Parsons første turbin gjorde 18 000 omdreininger hvert minutt. Moderne dampturbiner går normalt med mye lavere hastigheter (vanligvis 1000-3000 omdreininger per minutt) enn Parsons turbin. De har vekselvise rader med roterende (løpehjul) og stasjonære (ledehjul) blader, med glidepakninger mellom løpehjulendene og turbinhuset, og mellom endene på ledehjulene og den roterende akselen, slik at lite av dampens energi går tapt. Dampen kommer inn i midten og strømmer utover gjennom turbinbladene i motsatte retninger. Sylinderen tømmes igjen av en kondensator, som danner et undertrykk og suger ut dampen. Store turbiner kan ha tre sylindere, der dampen kommer inn i den første med høy temperatur og trykk (eksempelvis 565°C og l,6xl07 N/m2, som tilsvarer om­ trent 158 atmosfærer). Den varmes opp på nytt før den slippes inn i neste sylinder og avkjøles så gradvis og mister trykket når den passerer gjennom den andre (middels trykk) og den tredje (lav­ trykks-) sylinderen.

1804 Rakett med metallkammer og avtakbare styrestaver utviklet for militær bruk 1811 Arthur Woolfs dobbeltekspanderende eller sammensatte dampmaskin bygd 1816 Robert Stirling utviklet forbrenningsmotor med lukket syklus 1825 Første brukbare horisontale dampmaskin bygd

1840 Spinnstabilisert rakett utviklet av William Hale i Storbritannia 1849 G. H, Corliss tok i USA patent på ventilstyring for kontroll av dampmaskiner 1860 Etienne Lenoir tok patent på vannavkjølt gassmotor og tenn­ pluggen 1867 Nicolaus Otto og Eugene Langen bygde gassmotor

MASKINER OG MOTORER

1867 Vannrørskjele for damp patentert i USA av G. H. Babcock og S. Wilcox 1871 Dampmaskin lansert med trippelekspansjon 1876 Otto demonstrerte sin firetakts gassmotor 1878 Skotten Dugald Clerk bygde totaktsmotor 1884 Forbrenningsmotor som

kunne gå med 800 rpm bygd av Gottlieb Daimler 1884 C. A. Parsons lanserte dampturbinen 1887 Edward Butler oppfant forgasser med flottør 1888 Parsons turbin brukt til å drive elektriske generatorer 1891 Dugald Clark lanserte bruk av forkomprimering

Syklusen i stirlingmotoren

1892 Rudolf Diesel tok i Tyskland patent på motor med kompresjonstenning 1895 Albert de Dion og Georges Botorl i Frankrike fant opp lett, høyhastighets bensinmotor, 1500 rpm 1900 Packard lanserte i USA girkasser med tre gir fremover og ett bakover (revers)

1903 Den russiske læreren K. Tsiolkovskij publiserte pionertanker om rakettdrift 1903 Robert Hutchings Goddard skjøt i USA opp historiens første rakett med væskemotor 1930 Hermann Oberth i Tyskland prøvde rakett drevet av parafin og flytende oksygen 1933 M. Tikhonranov prøvde

7

rakett med fast og flytende drivstoff i Sovjetunionen 1939 Det rakettdrevne flyet He-176 prøvd i Tyskland 1942 A-4-rakett utviklet under ledelse av Wernher von Braun prøvefløyet ved Peenemnde i Tyskland 1947 Holgar Toftoy skjøt i USA opp totrinnsraketten Bumper

Stirlingmotoren 11816 oppfant den skotske presten Robert Stirling en fris tempel- eller varmluftmotor. Den er basert på utvidelsen og fortrengningen av luft (eller andre gasser) i en sylinder som oppvarmes utenfra. Stirling pønsket ut en genial og økonomisk syklus for varmeoverførlng, faktisk er stirlingsyklusen nærmere til å være termodynamisk perfekt enn noen annen praktisk maskin. Prinsippet lå i mange år ubrukt på grunn av konstruksjonsteknlske problemer, men er nå gjenstand for stor interesse fordi den går stille, forurenser lite og har høy virk­ ningsgrad, noe som gjør at den trenger relativt lite drivstoff. Arbeidsgassene (hydrogen, helium eller nitrogen) går i et lukket kretsløp der de varmes og avkjøles når de passerer en varmeveksler. Varme lagres i en regenerator idet gassene beveger seg mot kaldsonen og frigjøres når de etterpå strømmer tilbake til varmsonen. Motoren har to stempler som svinger opp og ned, der fortrengerstempelet ligger 60° -90° foran arbeidsstempelet i en syklus på 360°. Gassene som er innestengt under arbeidsstem­ pelet, skyver det oppover og presser sammen gassene over. Idet trykket over og under fortrenger­ stempelet (som har et større overflateareal på toppflaten) utjevnes, begynner det å bevege seg nedover på grunn av den større kraften på oversiden. Når fortrengerstempelet går ned, kommer oppvarmet gass, som holder nær konstant temperatur mens den utvides, inn på oversiden. Gassene under presses sammen og tvinger arbeids­ stempelet ned. Fortrengerstempelet beveger seg så opp på grunn av den innestengte gassen over den faste stammen, som virker som en gassfjær (noe også gassen under arbeidsstempelet gjør). Gassene over fortrengerstempelet tvinges tilbake gjennom regeneratoren og varmeveksleren og fullfører syklusen. I tillegg til å brukes som en motor, kan stirlingmotoren også brukes som varmepumpe, trykkgenerator og kjølemaskin.

4 C. A. Parsons båt «Turbina» førte til stor oppmerksomhet rundt turbindrift da den kom opp i 35 knop under flåteparaden ved dronning Viktoriajubileet i 1897.

▲ Bladene i en moderne kraftverkturbin. Dampen strømmer inn på midten, der bladene er minst, og tvinges derfra utover til sidene til de større turbinbladene der.

8 Forgasseren er en av verdens mest undervurderte oppfinnelser

I løpet av 1800-tallet utviklet forbrenningsmotoren seg til å bli et alternativ til dampmaskinen. I forbrenningsmotoren forbrennes drivstoffet inni motoren. Kanonen er på en måte en éntakts forbrenningsmotor. Flere, blant andre den nederlandske fysikeren Christiaan Huygens, eksperimenterte med krutt som et drivstoff som kunne drive et bevegelig stempel. I konstruksjonen av en brukbar forbrenningsmotor støtte man på to problemer: Å finne et passende drivstoff og finne en pålitelig måte til å få antent den i en gjentatt syklus. Tidlig tilgang på gass representerte en løsning på det første problemet. Det andre viste seg verre å løse. Den første vellykkete gassmotoren ble bygd av Etienne Lenoir (1822-1900) i Paris i 1860. Den var en teknisk suksess, men en økonomisk fiasko, og ble snart erstattet av de populære ottomotorene laget av v den tyske ingeniøren Nikolaus Otto (1832-1891) og lansert i 1876. I mindre fabrikker ble gassmotorene snart et billig alternativ til dampmaskiner, men forbrenningsmotorens fremtid lå ikke i bruk av gass, men i det nye drivstoffet bensin.

▲ ► Gjennomskåret tegning av en moderne sekssylindret V-6motor. Hver sylinder gjør fire slag. Bensinpumpen presser bensin inn i forgasseren der den blandes med luft og føres inn i en sylinder via en innsugningsventil som åpner idet kamakselen (som alle stemplene er festet til) drar stempelet ned (1). Under komprimeringsslaget (2) stenges ventilene og blandingen presses sammen. Fordeleren, drevet av hovedkamakselen, sender etter tur en elektrisk impuls til hver sylinder, avpasset slik at den faller sammen med slutten av komprimeringsslaget. I tennpluggen slår det ut en gnist som tenner blandingen og tvinger stempelet ned i arbeidsslaget (3). Idet stempelet kommer opp igjen, åpnes eksosventilen og avgassene støtes ut (4). Deretter starter en ny omgang med den samme syklusen.

1 Tomgangsdyse 2 Gass-spjeld 3 Luftfilter 4 Bensintilførsel 5 Innsugningsfordelerrør 6 Fordelerlokk 7 Strømkabel 8 Fordeler 9 Veivaksel 10 Vippearm 11 Tennpluggkontakt 12 Utstøtningsventil 13 Innsugningsventil 14 Stempel 15 Eksosventil for resirkulering

▲ Ottos horisontale gassmotor fra 1876. En blanding av gass og luft ble via en skyveventil dratt inn i den vannavkjølte sylinderen og antent på returslaget av en flamme. Den ble sendt inn fra en kontinuerlig gassflamme ved en annen skyveventil.

16 Eksos til lydpotte 17Svinghjul 18Bunnpanne 19Sylinderblokk 20 Oljefilter 21 Stempelstang 22 Registerkjedestrammer 23 Registerkjede 24 Tannhjul på veivaksel 25 Vannpumpe 26 Vifte 27 Veivaksel 28 Kamaksel 29 Hydraulisk ventilløfter 30 Sylinderløp

MASKINER OG MOTORER

Dieselmotoren 11893 lanserte tyskeren Rudolf Diesel (1858-1913) tanken om en motor der drivstoffet var tungolje som ble antent ved kompresjon. Når luft presses sammen til høyt trykk, blir den varm nok til å antenne drivstoffet, som sprøytes inn i sylinderen etter hvert komprimeringsslag. Fordi drivstoffet antennes på denne måten, er det i dieselmotoren unødvendig med tennplugger. Forbrenningen skjer idet stempelet er på vei nedover i arbeidsslaget, og unngår dermed den høye trykkøkningen som utløses av gnisttenningen i ottomotoren. For å tåle det høye trykket, måtte dieselmotoren lages større og kraftigere. Likevel er den pålitelig og økonomisk i drift, samt at den har høyere virknings­ grad enn bensinmotoren. Den har vist seg å få stor utbredelse i større kjøretøyer på både bane og vei. Den brukes også i privatbiler der lave driftsutgifter er viktigere enn ytelsen.

9

Av alle de nye innretningene for transport som ble oppfunnet i denne tiden, var det bare tog og skip som var store nok til at de kunne frakte med seg de store kjelene som var nødvendig for å kunne bruke dampmaskinen. Selv om det ble laget en del damp­ drevne biler, var det klart at transportmidler for bare noen få perso­ ner trengte en lettere, men likevel kraftig, motor som kunne bringe med seg sitt eget drivstoff på en trygg og praktisk måte. Helt fra oldtiden hadde man hatt tilgang på oljeprodukter, fra oljeskifer og kull. Det var imidlertid først med USAs ekspansjon vestover mot Stillehavet at verden fikk god og lett tilgang på kilder til råolje, som dannet grunnlaget for produksjonen av bensin. Mer­ kelig nok ble den mest flyktige delen av oljen, nettopp bensinen, betraktet som et avfallsprodukt helt til det ble oppdaget at den egnet seg ypperlig som drivstoff for forbrenningsmotoren. Med oppfinnelsen av forgasseren fikk man endelig det mellomleddet som trengtes for å kunne utnytte en lett, kraftig og robust motor sammen med en rik energikilde. Dieselmotor

Dieselsyklusen

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Luftfilter Registerreim Kamaksel Kretsbryter Drivstofftilførsel Drivstoffinnsprøyter Forkammer Termostat Glødespiral for kaldstart Stempel Svinghjul Bunnpanne Veivaksel Drivstoffpumpe Vekselstrømgenerator Viftereim Tannhjul på veivaksel Innsugningsventil Utstøtningsventil Tannhjul på kamaksel Ventilfjær

◄ ▲ En 1600 cm3 dieselmotor. I den syklusen som dieselmotoren arbeider etter, suger stempelet luft inn i sylinderen gjennom innsugningsventilen på innsugingsslaget (1). Idet stempelet beveger seg oppover på komprimeringsslaget, oppvarmes luften av trykk­ økningen mens drivstoff sprøytes inn i sylinderen (2) av en drivstoffpumpe som drives av hovedkamakselen. Drivstoffet sprøytes inn i en finfordelt dusj, slik at det blandes godt med luften. Den sammenpressete, varme luften selvantennes og driver stempelet ned på arbeidsslaget (3). Når stempelet kommer opp, åpnes utstøtningsventilen og gassene forlater sylinderen (4). Dieselmoto­ ren trenger følgelig hverken forgasser eller tennplugger, men har likevel et større kompresjonsforhold enn bensinmotoren. 4

10

Luftinntak

Propell

Kompressor

Brensel

Turbin

Munning

Turbojetmotor

Vifte

Jetmotoren Gassturbinen, eller jetmotoren, står i samme forhold til bensinmo­ toren som Parsons dampturbin til den tradisjonelle dampmaskinen: Den forvandlet en mekanisk kompleks stempelmotor til en mye enklere og langt kraftigere rotasjonsmotor. Jetmotoren ble utviklet under den andre verdenskrig, og i 1945 var den tatt i bruk både i britiske og tyske kampfly. Den kom inn i sivil luftfart i 1952 med passasjerflyet de Havilland Comet, og har siden den gang vært den dominerende motortype, enten i sin rene jetform, eller som turboviftemotor eller turbopropmotor, der en del av skyvkraften brukes til å drive en propell. Som i dampturbinen finner vi også i jetmotoren alternerende rekker av stasjonære og roterende blader som det sendes en gassstrøm gjennom, og der de roterende bladene er festet til en sentral drivaksel. I den enkleste utgaven av en jetmotor er det luft som er drivgassen. Den suges inn og presses sammen av en turbinkompressor fremst i motoren. Dernest blandes den med drivstoffet og tennes i brennkammeret som omgir hoveddrivakselen. De varme gassene passerer gjennom et annet sett med turbinblader og forlater motoren med høy hastighet. Det er skyvkraften som produseres av disse eksosgassene som støtes ut bakover, som skyver flyet fremover. Bare en liten del av energien går med til å drive kompres­ soren foran, via hoveddrivakselen. I turbopropmotoren brukes eks­ tra turbinblader som henter ut energi fra eksosgassene, som de så overfører til en vanlig propell. Turboviftemotoren, som brukes i de største flyene, har en stor vifte foran i luftinntaket. Den blåser luft rundt utsiden av brennkammeret, noe som bidrar med omtrent 75 prosent av motorens skyvkraft. En variant av denne konstruk­ sjonen som nå er på eksperimentstadiet, kalles propvifte. Her er viftebladene montert på utsiden av motorhuset. Uansett hvilken ut­ forming den har, er gassturbinen både en av de enkleste og samti­ dig en av de mest avanserte drivkraftkildene vi har.

▲ Turbojetmotoren drar inn luft som presses sammen før den føres inn i et brennkammer der den blandes med drivstoffet og antennes. I turbopropmotoren er det i tillegg en propell som drives av eksosgassene, mens turboviftemotoren bruker en vifte til å dra inn ekstra luft som tvinges gjennom halestykket for å få større skyvkraft. En væskerakett bruker turbopumper i forkammeret for å sprøyte drivstoffet inn i brennkammeret.

Rakettmotorer De kraftigste motorene til fremdrift er rakettmotorene. De forbrenner et drivstoff og produserer en varm gass som gjennom en smal dyseåpning presses ut av brennkammeret med høy hastighet og gir en skyvkraft i motsatt retning. Bruk av rakettdrift til transport ble først foreslått av russeren Konstantin Eduardovitsj Tsiolkovskij (1857-1935). Amerikaneren Robert Hutchings Goddard (1882-1945) nedla et betydelig pionerarbeid med en rekke praktiske forsøk og skjøt opp den første væskerakett fra Auburn, Massachusetts, i 1926. Dagens store raketter med mange trinn er i prinsippet lik de Goddard utviklet. Ofte brukes to gasser i flytende form, et brensel og et oksidasjonsmiddel. Turbiner pumper dem over i brennkammeret der de antennes og forbrennes før eksosgassene støtes ut for å produsere en skyvkraft. Skyvkraften kan reguleres ved å kontrollere drivstofftilførselen. Noen raketter bruker drivstoff i fast form, der brensel og oksidasjonsmiddel er blandet sammen på forhånd.

domineres av den store viften. Ved underlydshastigheter er turboviftesyklusen andre kon­ struksjoner overlegen; den gir høy skyvkraft i startfasen og under klatring til marsjhøyde.

Elektrisitet Elektrisk energi... Batterier og celler som kan lagre elektrisitet... Motoren og generatoren... Kommersielle generatorer... Overføring... PERSPEKTIV... Brenselceller... Faraday og oppdagelsen av den elektriske energi... Tidlige anvendelser av elektrisk energi... Utviklingen av elektrisk lys... Bivirkninger ved elektrisitetsproduksjon

Elektrisitet er den mest lettvinte og fleksible formen energi kan befinne seg i når den skal fraktes fra produksjonssted og dit den skal brukes. Mens man i tidligere tider måtte etablere lite effektive mekaniske koblinger mellom for eksempel et vannhjul og en møllestein, kan i dag hjulets energi omgjøres til elektrisitet, overføres raskt og med forholdsvis små tap dit den trengs, og der igjen gjøres om til kraft. I dette systemet finner vi fire hovedkomponenter: Energikilden, generatoren den driver, overføringslinjen og motoren som omgjør elektrisiteten til kraft. Batterier Til elektriske innretninger som er små og bærbare eller befinner seg avsides, brukes gjerne en elektrisk celle (eller batteri, som vi helst kaller det dersom to eller flere celler er koblet sammen med hverandre). Denne baserer seg på at det går en strøm av elektroner mellom to forskjellige elementer (kalt katoder, der den positive er anoden og den negative er katoden) plassert i en elektrolytt, et stoff som frigir elektroner. Den produserer således elektrisitet ved hjelp av kjemiske reaksjoner. Cellen ble demonstrert av Alessandro Volta (1745-1827) i 1800 og ble tatt i bruk i større målestokk etter 1868. Da tok nemlig den franske fysikeren Georges Leclanché (1839-1887) patent på en celle som hadde en anode av karbon, en katode av sink og brukte svovelsyre som elektrolytt. I en tørr versjon av Leclanché-cellen er svovelsyren erstattet med ammoniumklorid (salmiakk) i en seig masse. Disse cellene dannet grunn­ laget for mange av de batteriene som er i bruk i dag, selv om bilbatterier har elektroder av bly og blyoksid og i motsetning til en Leclanché-celle kan lades opp flere ganger. Under forhold der det er påkrevet med kontinuerlig drift, kan batterier med sink og kvikksølvoksid brukes, og meget lette batterier kan lages av litium, med en elektrolytt av litiumjodid. Slike batterier brukes blant annet i pacemakere. ► Den italienske fysikeren Alessandro Volta viser frem sitt batteri for Napoleon. Det var laget av skiver av kobber og sink atskilt med lag av filt dyppet i en syre, og var den første innretning som sendte ut en kontinuerlig elektrisk strøm. Batteriet er kanskje mer kjent som Voltas søyle. ◄ Leclanché-celler fra 1800tallet. Hvis endene kobles sammen, vil sinkkatoden løses opp og avgi elektroner. De strømmer gjennom ledningen til karbonkatoden, og danner ammoniakk og hydrogenioner i elektrolytten av ammoniumklorid. Dermed oppstår en elektrisk strøm fra cellene.

Brenselceller En brenselcelle er et apparat som gjør den kjemiske energien til et brensel om til elektrisk energi på en meget effektiv måte. Prinsippet bak er det samme som for batterier, bortsett fra at brenselceller ikke må lades opp og ikke utlades som batterier gjør. De bruker det kjemiske potensialet til to stoffer, brensel og oksidasjonsmiddel, som reagerer med hverandre dg lager elektrisitet. Mange stoffer har vært prøvd i brenselceller siden de først ble foreslått i 1839, men det beste brenselet er hydrogen og det beste oksidasjonsmiddelet er oksygen. Mange typer bren­ selceller er utviklet, som baserer seg på alkaliske stoffer, smeltet karbonat, faste oksider og fosforsyrer. Til kommersiell bruk finnes bare brenselceller basert på elektrolytter av fosforsyrer. Brenselceller har en svært høy virkningsgrad for belastninger på over 25 prosent og det gjelder uansett hvor stor brenselcellen er. En elektrisk virk­ ningsgrad på nesten 100 prosent er i teorien mulig, men ligger i praksis på 50 prosent for fosforsyreceller ved atmosfærisk trykk og opptil 60 prosent for høytrykksys terner. En brenselcelle kan nå full ytelse på 0,03 sekunder, noe ingen annen energikilde kan greie. Fordi de er så enkle, er brenselceller også meget pålitelige. Cellen har ingen bevegelige deler og krever derfor Ilte vedlikehold. De har driftstider på over 40 000 timer med full ytelse, brukes som ener­ gikilde i noen romfartøyer (Apollo og romfergen) og det er bygd kraftstasjoner basert på brenselceller i Japan og USA. Hver av de amerikanske romfergene er utstyrt med tre brenselceller, som til sammen har en masse på 276 kg og en kontinuerlig ytelse på 14 k\/V. For et kortere tidsrom kan de samlet yte en toppeffekt på hele 24 k\N.

12 Kronologi

1800 Alessandro Volta oppfant batteriet, den første kilde til konti­ nuerlig strøm 1820 Hans Ørsted oppdaget det elekromagnetiske prinsipp 1821 Michael Faraday utviklet prinsippet for likestrømsgenerato­ ren 1836 Daniell-cellen, det første effektive batteri

1858 Buelys tatt i bruk på et fyrskip ved North Foreland i Kent, England 1868 Leclanché-cellen utviklet, prototype på tørrbatteri 1873 Zénobe Théophile Gramme utviklet første brukbare elektriske motor 1878 Første brukbare glødelampe demonstrert av Joseph Swan i

England 1879 Thomas Edison viste frem sin glødelampe 1881 Blyakkumulatoren lansert 1882 Første offentlige kraftstasjo­ ner åpnet i London og New York 1886 George Westinghouse og William Stanley overførte elektrisi­ tet lengre enn 100 m i Massachu­ setts ved å bruke Stanleys veksel-

strømomformer 1888 Nikola Tesla utviklet vekselstrømmotor 1891 Første trefaseoverføring med vekselstrøm skjedde mellom Lauffen og Frankfurt, Tyskland 1892 Første pumpekraftverk åpnet nær Zurich 1895 Wilhelm Fein oppfant elektrisk håndboremaskin

1901 Elektrisk skrivemaskin utviklet 1903 I Newcastle upon Tyne ble første vekselstrømgenerator med roterende magnet installert 1905 Glødelampe med wolframtråd lansert 1908 W. Hoover i USA lanserte små støvsugere til bruk i hjemmene

Generatorer og motorer Hvis en ledningsløyfe roterer rundt en akse som krysser sløyfen, og dette skjer i et magnetfelt, vil det i sløyfen bli indusert en elek­ trisk strøm. Strømmen vil endre retning med de stadige endringene i magnetfeltets retning slik det oppleves for sløyfen. Hvis det sen­ des en strøm gjennom en sløyfe som er i et magnetfelt, vil det oppstå krefter på sløyfen som vil prøve å få den til å rotere langs en akse på tvers av både sløyfen og magnetfeltet. Disse to fysiske fenomenene danner grunnlaget for en hel rekke maskiner der elek­ trisk energi omgjøres til mekanisk arbeid ved en motor, eller der mekanisk arbeid gjøres om til elektrisk energi ved en generator. Dette kan i praksis gjøres på mange måter. Enkle motorer og generatorer, som de vi finner i batteridrevne leker og sykkeldynamoer, bruker permanente magneter til å lage magnetfeltene, og spesielle kontakter kalt kommutatorer eller strømvendere som får motorer til å rotere kontinuerlig og generatorer til å produsere en vedvarende strøm i én enkelt retning, likestrøm. I større maskiner brukes elektromagneter for å lage magnetfelte­ ne som trengs. De produserer vekselstrøm og bruker den til å drive vekselstrømmotorer. En grunntanke bak slike motorer er at ved å bruke vekselstrøm mot elektromagneter stilt opp på riktig måte, kan det lages et område der magnetfeltet roterer akkurat som om det lå mellom polene på en roterende permanent magnet. Når en spole festet til en motoraksel plasseres i dette området, induseres det strømmer som vekselvirker med magnetfeltet og genererer kref­ ter som vil prøve å dreie spolen rundt slik at den kan følge feltet. Slike motorer kalles induksjonsmotorer eller asynkronmotorer. En lineærmotor ligner den roterende motoren, bortsett fra at magnetene er blitt «jevnet utover» slik at det genereres en rettlinjet bevegelse. En viktig anvendelse av lineærmotoren er i det som gjerne kalles magnetsvevebaner. Vekselstrømgenerator

$

Likestrømsgenerator ◄ ◄ I denne skjematiske vekselstrømgeneratoren roterer én enkelt ledning i feltet fra en stasjonær magnet, og er forbundet til en krets ved hjelp av sleperinger og børster. Det produseres en strøm som bytter retning hver gang ledningen passerer fra den ene magnetpolen og over til den andre.

◄ I en likestrømsgenerator og -motor er sløyfen forbundet med kretsen ved en strømvender. Denne er delt slik at når strømmen snur i sløyfen, vil den motsatte halvdelen av strømvenderen være i forbin­ delse med hver ende av kretsen og slik generere en likestrøm eller jevn rotasjonsbevegelse.

ELEKTRISITET

1908 Elektriske vaskemaskiner kom på markedet i USA 1913 Geotermisk kraftstasjon åpnet i Lardarello, Italia 1913 I USA kom kjøleskap til hjemmebruk på markedet 1919 Elektriske komfyrer for hjemmebruk ble lansert 1920 Elektriske kabler med tre kjerner innført av Martin Hochstad-

ter i USA og oljefylte kabler av L. Emanueli, Italia 1920 Varmekolber ble tatt i praktisk bruk 1923 De første fotoelektriske cellene utviklet 1939 Gassturbin ble for første gang tatt i bruk i elektrisitetspro­ duksjon, i Sveits 1941 I Vermont i USA ble elektrisk

energi produsert av vindmølle på 1,25 MW 1947 Mikrobølgeovner lansert 1954 Solcelle utviklet av det ameri­ kanske firmaet Bell Telephone Company 1957 Første kjernereaktor tas i bruk i Calder Hall. England 1957 Kvikksølvbatteri ble utviklet 1959 Brenselceller utviklet av

Francis T. Bacon 1964 Magnetohydrodynamisk elektrisitetsproduksjon i Stor­ britannia, strøm produsert ved å sende en varm gass gjennom sterkt magnetfelt 1966 Superledende magneter utviklet i Storbritannia 1967 Verdens første større tidevannskraftverk åpnet i La Rance,

13

Frankrike 1968 Sinkbatteri kommersielt utviklet i Storbritannia 1972 Natriumsvovelbatteri utviklet i Storbritannia 1977 Galliumarsenidsolcelle utviklet av IBM i New York 1986 Batteri basert på aluminium og luft introdusert. 186 år etter Voltas første batteri -- --------------------------------------- - -------------------- r——-

Oppdagelsen av den elektriske energi Selv om den elektriske motoren er så utbredt, er det rart at den bruker en av de mest mystiske naturkref­ tene - elektromagnetismen. Ennå har man ingen full forståelse av hva denne kraften egentlig er, men in­ geniørene er likevel dyktige til å utnytte den. Den første demonstrasjonen av dette ga den britiske fysikeren Michael Faraday. 11821 stilte han ut den første elektriske motoren. Den bestod av en kobberplate som roterte mellom polene på en permanent magnet. Ti år senere kunne han demonstrere prinsippet om induksjon, som generatoren er basert på - et prinsipp som ble oppdaget samtidig og uavhengig av den amerikanske fysikeren Joseph Henry. Tidlige anvendelser I årene etter Faradays demonstrasjon av den elektriske motoren ble det gjort mange forsøk på å anvende den til ulike formål. 11842 prøvde oppfinne­ ren Robert Davidson et elektrisk lokomotiv mellom Edinburgh og Glasgow. Det veide 5 tonn og kom opp i 5 km/t. Ved midten av 1800-tallet var batteridrevne bor, trykkpresser, tog og båter blitt utviklet, men ingen ble noen varig suksess på grunn av de høye kostnadene og små energikildene. 11840årene utviklet imidlertid kjemikeren John Woolrich en stor elektrisk generator som han installerte i en forsølvings- og forgyllingsbedrift. Den muliggjorde masseproduksjon av galvaniserte varer.

▲ Los Angeles i det varme Syd-California kan være et symbol på det moderne samfunns avhengighet av elektrisitet til energiforsyning, oppvarming og belysning. Kjøleutstyr og klimaanlegg er så vanlige at de varmeste dagene kan føre til større belastning på elektrisitetsnettet i slike byer, enn kalde netter.

► Thomas Edisons første vellykkete glødelampe (1879) brukte en kulltråd som glødeelement. Den hadde en levetid på bare 40 timer. Året etter hadde han startet massepro­ duksjon. Han drev reklame for lampene ved å la dem lyse opp laboratoriene sine og viste folk rundt i dem om kveldene.

Elektrisk lys De første elektriske lysene var karbonbuelamper. Lyset kommer her fra en kontinuerlig gnist som frembringes ved å sende strøm over gapet mellom to karbonelektroder. Et tidlig eksemplar ble i 1958 installert i et fyr ved South Foreland i Kent i England og ble drevet av en spesiallaget generator. 11880 var fiskemarkedet Billingsgate i London og deler av kaiene ved Themsen opplyst av buelamper. Lignende systemer ble installert i Paris og USA, men nå var glødelampen begynt å komme. Disse har en glødetråd, som til å begynne med var av plantefibre, men nå er av metall, som strømmen gikk gjennom. Tråden er plassert i vakuum eller en ikke-reaktiv gass for å hindre oksidasjon. Den samtidige utviklingen av glødelampen i 1870årene av kjemikeren Joseph Swan (1828-1914) og den amerikanske oppfinneren Thomas Edison skulle komme til å revolusjonere elektrisitetsindustrien. Edison planla belysning i stor målestokk som skulle konkurrere med gasslys. 11878 ble Edison Electric Lighting Company grunnlagt. Dets Pearl Streetkraftverk i New York ble åpnet i 1882, som et av de første i verden. Norge var ikke langt etter. Allerede i 1885 ble den første elektrisitetsforsyning startet her i landet. Den skjedde fra Laugstol Brug og dekket deler av Skien. Det var nettopp Edisons glødelampe som gjorde det interessant å etablere slike anlegg.

14 Over halvparten av varmen som produseres i et moderne kraftverk er bortkastet

Elektrisitetsproduksjon i stor skala Enten energikilden er kull, olje eller kjerneenergi produseres elek­ trisiteten i et moderne varmekraftverk på samme måte: Drivstoffet brukes til å varme opp damp som driver en turbin. I et vannkraft­ verk brukes derimot turbiner som drives direkte av vannet. Rotasjonsbevegelsene i turbinene brukes så i sin tur til å drive elektriske generatorer, som egentlig er store elektromagneter som kan rotere i en hul sylinder av ledende spoler. Der omgjøres turbinenes rotasjonsenergi til elektrisk energi i sta toren (en fast spole som ikke beveger seg). Fra generatorene sendes strømmen via store transformatorstasjoner, der spenningen kjøres opp, ut på et større, lands­ omfattende nett som vekselstrøm. I varmekraftverk foregår en storstilt sløsing med energi når driv­ stoffet skal omgjøres til brukbar energi. Ofte går omtrent 60 prosent av drivstoffets energiinnhold tapt, for det meste som spillvarme inni turbinene. Derimot er generatorene svært effektive, der går bare rundt 2 prosent av energien tapt. Måten omgjøringen skjer på, gjør at store kraftverk blir mer lønnsomme enn små. Derfor er kraftverkene blitt stadig større og bygges nå ofte med en kapasi­ tet på 2500 MW elektrisk energi. Flere forsøk er blitt gjort på å redusere energisløsingen. Mange steder er det installert varmegjenvinningsanlegg som prøver å sam­ le opp spillvarmen og sende den som varmt vann direkte til indu­ strianlegg og boliger i nærheten. Samtidig har man også prøvd å finne frem til andre metoder for storstilt produksjon av elektrisitet der det ikke er nødvendig å bruke turbiner. Noen har tatt i bruk brenselceller, andre prøver å lage en elektrisk strøm gjennom en ionisert gass med høy temperatur i et magnetfelt. Denne metoden, kalt magnetohydrodynamisk fremstilling, har i prinsippet vært kjent i mange år og kan kanskje redusere mengden spillvarme med 50 prosent. Ennå gjenstår det imidlertid å vise at den på en økono­ misk måte kan produsere all den energien som i dag kommer fra andre og mer konvensjonelle kraftverk.

Det moderne varmekraftverk Høytrykksturbin

Turbin med middels trykk

Høytrykks dampventil

Dampventil for gjenoppvarmet damp

▲ Turbingeneratorene ved et moderne 660 MW varmekraft­ verk. Overoppvarmet damp tilføres høytrykksturbinene fra utvendige kjeler. Derfra føres dampen gjennom varmevekslere for å varmes opp igjen, før den ledes inn i turbiner med middels trykk og til slutt til de to største, lavtrykksturbinene. Generatoren er i høyre ende av turbinakselen. Foran er kondensatoren som avkjøler brukt damp og sender den til kjelene igjen, der den på nytt varmes opp. ◄ Generatoren Thomas Edison installerte ved Paris-operaen i 1887. Edison konstruerte de første store generatorene til bruk i belysningsindustrien han selv grunnla med sin opp­ finnelse av glødelampen. Ge­ neratorene ble via de store beltene drevet av stempeldampmaskiner.

► Generatorer ved vannkraft­ verket i Snowy Mountain, Australia. Vann dreier rundt turbiner utstyrt med justerbare skovler for å kontrollere rota­ sjonshastigheten.

ELEKTRISITET

15

Bivirkninger ved elektrisitetsproduksjon Energiproduksjon har uheldige bivirkninger. Varme­ kraftverk både forurenser og tærer på naturressur­ ser. Fordelene med god tilgang til elektrisk energi anses imidlertid å være større enn ulempene, men fortsatt gjøres mye for å redusere de negative virk­ ningene. De viktigeste biproduktene fra varmekraftverk er spillvarme, gassutslipp og radioaktivt avfall. Av disse er spillvarmen lettest å akseptere, og kan også være et gode om den kan utnyttes, eksempel­ vis som fjernvarme til fiskeoppdrettsanlegg. Avfallsgasser kan behandles på mange måter. De viktigste komponentene er røyk, aske og svoveldioksid. Ved å forbedre forbrenningen i kjelene kan røykutslippene reduseres til nesten Ingenting, mens utslipp av aske kan hindres ved elektrostatiske støvutfellingsapparater. Mye av asken kan brukes som byggemateriale. Utslippene av svoveldioksid er imidlertid langt vanskeligere å begrense. Selv om noe svovel kan fjernes fra drivstoffet før det benyttes, og noe kan fjernes fra avgassene, er det dyrt å fjerne svovel. De fleste varmekraftverk prøver derfor å minske de lokale virkningene ved svoveldioksidutslipp ved å bygge svært høye piper. Røykskyene fra slike piper kan slå seg vei gjennom den lavere delen av atmosfæren, men det overfører bare problemet til andre. Det er fastslått at svoveldioksidutslipp fra Storbritannia forurenser elver og innsjøer i Skandina­ via ved sur nedbør - nedbør som inneholder svovelsyre. Problemet øker bare med det økende behovet for elektrisk energi. Forbrenning av fossilt brensel fører også til at karbondioksid frigjøres. Mengden av denne gassen i atmosfæren har økt siden den industrielle revolusjon, og kan bidra til en global temperaturøkning.

16

◄ Reléer er plassert i elektrisitetsnettet mellom transfor­ matorene og høyspentlinjene. De fungerer som av/på-brytere for systemet og hindrer gnistoverslag mellom endene. Reléene trer automatisk i funksjon dersom det oppstår en betydelig forskjell mellom den strømmen som kommer inn og den som forlater en krets, eller når et forhåndsinn­ stilt strømnivå overskrides. En transformator består av to ledningsspoler, den ene med mange og den andre med relativt få viklinger, rundt en jernkjerne. En vekselstrøm gjennom den ene spolen induserer en strøm i den andre. Spenningen i den andre er proporsjonal med den første, avhengig av hvor mange viklinger det er på de to spolene. Poenget med å ha transformatorer i strømnettet, er å kunne kjøre spenningen opp og ned.

Overføring av elektrisitet Strømstyrkene som produseres av et moderne kraftverk kommer opp i flere tusen ampere. Så store strømstyrker egner seg dårlig til overføring over store avstander. Grunnen er at de ville gi et betydelig varmetap i overføringsledningene. Dette problemet kan gjøres mindre på to måter: Redusere den elektriske motstanden i overføringsledningen eller redusere strømstyrken på strømmen i ledningen. Fordi ledningenes dimensjoner begrenses av vekt og økonomiske forhold, kan ikke motstanden reduseres vilkårlig mye. Derfor omgjøres den elektriske strømmen fra et kraftverk fra høye strømstyrker med lav spenning, til mindre strømstyrker med høyere spenning (i Norge 300 kV eller 420 kV). I land der det dreier seg om store avstander og effekter (for eksempel Sovjetunionen og USA) brukes det spenninger på opptil 800 kV ved overføring av vekselstrøm. Ved så høye spenninger kan strømmen overføres via ledninger hengt opp i kraftmaster. I byområder kan det så benyttes nedgravde kabler, selv om disse er dyrere å legge og vedlikeholde. Kablene som brukes i luftspenn er vanligvis laget av aluminium, mens aluminiumtråder tvunnet rundt stål brukes i større strekk, som over elver. På forskjellige steder i Norge transformeres spen­ ningen ned til 66 kV eller 132 kV for overføring over mindre av­ stander, og sendes så til lokale stasjoner der den reduseres til 11 kV eller 22 kV for overføring over små avstander. Til slutt fordeles den ut til hjem og arbeidsplasser med 230 V. Fabrikker og sykehus kan ofte få strøm med høyere spenning enn dette. Det samme gjelder den delen av jernbanenettet som er elektrifisert. I mange land fordeles strømmen utover landet gjennom et nett, som vi i Norge kaller samkjøringsnettet. Det får tilført elektrisk energi fra mange forskjellige kraftverk og gjør det mulig å fordele den over hele landet etter behov. Dette sikrer også at om et kraft­ verk må tas ut av drift eller utsettes for et uhell, vil normalt ingen forbruker bli uten strøm, men få tilført energi fra andre kraftverk. Samkjøringen av kraftverkene i Norge omfatter praktisk talt all pro­ duksjon av elektrisk energi her i landet. Overføringstapet er større med vekselstrøm enn med likestrøm, og noen steder omgjøres derfor strømmen til likestrøm før overfø­ ring. Dette skjer for eksempel ved den undersjøiske kabelen mel­ lom Norge og Jylland.

◄ Elektrisitetsbehovet varierer i løpet av døgnet og gjennom året. Samkjøringsnettet kan på kort varsel tilpasse forsynin­ gen til behovet. Samkjøringen i Norge har over 100 medlems­ verk tilknyttet, og i Storbritan­ nia over 140 medlemsverk.

▼ Kraftmaster med høyspentlinjer i Illinois, USA. Ledningene er som oftest laget av en stålkjerne med aluminiumstråder (som leder strømmen) tvunnet rundt, og festet til mastene med isolatorer.

Kjernekraft En begrunnelse for kjernekraft... Atomspalting... Kjernefysisk brensel... Kjernereaktoren... Reaktorkonstruksjoner... PERSPEKTIV... Tsjernobylulykken... Problemene med avfallshåndtering... Trykkvannsreaktoren... Andre konstruksjoner... CANDU-reaktoren... Fusjon

Verdens lagre av fossilt brensel er begrenset. Tidlig i 1970-årene kom det flere pessisimistiske prognoser som sa at dersom de davæ­ rende vekstratene fortsatte, ville det innen år 2000 bli en katastrofal mangel på fossilt brensel. Noen av disse prognosene har vist seg å være altfor dystre. Økningen i oljeprisene i 1974 førte til en re­ duksjon av etterspørselen etter olje og i veksten i mange industriali­ serte land. Samtidig stimulerte det oljeselskapene til å lete etter nye forekomster og utnytte kjente forekomster som tidligere ikke hadde vært drivverdige. Likevel legges det i alle prognoser om verdens energiressurser inn i det 21. hundreår stor vekt på den økende betydningen av kjernekraft. Dens utbredelse har ikke vært like rask som i 1960årene, på grunn av bekymringer omkring sikkerheten ved dem, de store investeringene som kreves og de langvarige miljøproble­ mene knyttet til håndteringen av avfallet fra dem. Til tross for disse bekymringene, som for mange ble dramatisk forsterket gjen­ nom ulykken ved kjernekraftverket i Tsjernobyl i Sovjetunionen i 1986, fortsetter tilhengerne av kjernekraft å hevde at den er den billigste, tryggeste og mest økonomiske metoden vi i dag har for å produsere elektrisk kraft i stor målestokk. De første utredningene om kjernekraft ble foretatt i USA tidlig i 1940-årene av den italiensk-amerikanske fysikeren Enrico Fermi (1901-1954). De første kommersielle kjernekraftverkene ble satt i drift i England på- 1950-tallet. Siden da er kjernekraftverk bygd i de fleste industrialiserte land, inkludert land i den tredje verden, som Brasil.

Atomkjernens energi temmes I sentrum av atomet er kjernen som inneholder en rekke positivt ladete protoner og nøytrale nøytroner. Energien som trengs for å holde kjernen sammen, avhenger av antall partikler den består av. Når en kjernereaksjon inntrer, endres antall protoner og nøytroner i kjernen, slik at atomet går over fra et grunnstoff til et annet. I denne prosessen frigjøres noe av den energien som holder atom­ kjernen samlet. En slik reaksjon skjer når atomkjernen i det tunge grunnstoffet uran 235 deles gjennom et bombardement med nøy­ troner. Den totale massen til de enkelte bestanddelene som er re­ sultatet av spaltningen (en prosess som gjerne kalles fisjon), er litt mindre enn den for U-235. Differansen er frigjort som energi, etter en ligning lansert av Einstein som beskriver sammenhengen mel­ lom masse og energi. Blant partiklene som dannes i denne spaltingen er nøytroner. De kan så bombardere andre kjerner og slik starte en kjedereaksjon. Hvis prosessen får fortsette ukontrollert og ura­ net har høy nok tetthet, vil det skje en kjernefysisk eksplosjon. I en kjernereaktor er imidlertid tettheten av uranbrensel og reaksjonshastigheten så godt regulert at den «brenner» jevnt og rolig. Energien som frigis i denne fisjonsprosessen, brukes til å varme opp damp, som så driver turbogeneratorer.

▲ I de syv døgnene etter Tsjernobyl-ulykken ble store deler av Europa forurenset ved at regn vasket ut radioaktive stoffer fra den radioaktive skyen som slapp ut fra kjernekraftverket. Særlig utsatt var barn i landene i Øst-Europa.

Tsjernobyl-ulykken Like etter klokken ett om morgenen lørdag 26. april 1986 ødela en eksplosjon og påfølgende brann kjernen i reaktor nummer fire ved kjernekraftverket i Tsjernobyl, nord for Kiev i Ukraina. Radioaktivitet fra ulykken ble først registrert her i Skandinavia, over 1500 km borte, den påfølgende mandag. Tsjernobyl-reaktoren har en konstruksjon som bare benyttes i Sovjetunionen. Her brukes grafitt som moderator, og kjernebrenselet er plassert i over 1600 trykk rør, der dampen føres direkte til turbogeneratoren. I de første sekundene etter uhellet ble kjernereak­ sjonene stanset, men brenselstavene fortsatte å produsere varme ved nedbrytningen av radioaktive atomer i dem. Eksplosjonen dette medførte ødela kjølesystemet og stavene antente grafitten I moderatoren. Varmen fra dette smeltet brenselstavene. Reaktoren var ikke omgitt av noen sikkerhetsbeholder og radioaktiviteten slapp ut i omgivelsene. Hvis det ble tømt vann på flammene, kunne det ha skjedd flere eksplosjoner og vannet ha forurenset drikkevannsforsyningen. Til slutt ble det tømt 4000 tonn med sand, leire og bly over reaktoren. Denne løsningen åpnet imidlertid for det såkalt «kinasyndromet», at hele kjernen kunne smelte. Det ble unngått ved å pumpe nitrogengass inn i kjernen. Den umiddelbare faren var over to uker etter at ulykken inntraff. Rundt 30 døde umiddelbart etter ulykken av ulike skader de pådro seg. De langsikti­ ge følgene av ulykken kan være verre - mange kan komme til å dø tidlig av kreft forårsaket av den store forurensningen av radioaktivt materiale. Etter å ha fått ulykken på avstand, ble det klart at virkningene for Norge tross alt ble nokså små. Ifølge et offentlig utvalg vil ulykken ikke gl påviselige medisinske skader i Norge.

Kjernereaksjonene produserer farlige avfallsstoffer som må lagres i tusener av år

Nøytra

Uran og kjernebrenselsyklusen Uran forekommer i naturen i et mineral som kan utvinnes i dag­ brudd eller ved underjordisk gruvedrift. Råmalmen blir så knust og tilsatt kjemiske løsningsmidler. Uranet fjernes fra løsningene ved fellingsmetoder der man får ut en blanding av uranoksider. Bare en del av dette (ca 0,7 prosent) er U-235, den urantypen som kan fisjonere på en slik måte at den kan holde en kjernereaksjon gående i en reaktor. Resten, hvilket betyr den altoverveiende del, er i form av den noe tyngre isotopen U-238. For anvendelse i en reaktor må andelen U-235 økes i en prosess som kalles anrikning. Dette skjer ved gassdiffusjon etter at uranoksidet er blitt omgjort til uranheksafluorid, en sterkt korroderende gass. Reaktorer som trykkvannsreaktoren der vann brukes som moderator, krever bare en anrikning på 2-4 prosent i form av urandioksid. (Skal uranet brukes i kjernefysiske våpen, kreves det en renhetsgrad på opptil 60 prosent.) For å produsere dette omgjøres først uranheksafluorid til en oppløsning av uranylnitrat som uranoksidpulveret så kan la­ ges fra. Pulveret omdannes så til små, sylindriske brikker og pakkes i staver for bruk i reaktorkjernen. Etter at brenselet er blitt brukt i reaktoren, inneholder det en del verdifulle materialer (som kan gjenvinnes og senere igjen kom­ me til nytte) og mange farlige avfallsprodukter. Noen av disse fisjonsproduktene brytes relativt raskt ned til ufarlige stoffer, mens andre, som plutonium-239, fortsetter å være meget radioaktivt i flere tusen år. Disse avfallsstoffene kan ikke behandles videre og må derfor lagres. Mye tid og penger har vært brukt for å finne trygge lagringsmåter uten fare for lekkasjer på mange hundre år. Til en slik måte finnes, må mye av det høyradioaktive avfallet lagres i beholdere, mens det mindre farlige, lavradioaktive avfallet kan graves ned eller senkes til havs. Det er imidlertid stor uenighet om hvor trygt dette egentlig er. Plutonium kan gjenvinnes fra brenselstavene for bruk i såkalte formeringsreaktorer eller i kjernefysiske våpen. Gjenvinningen er en meget komplisert, teknisk sett avansert, vanskelig og farlig pro­ sess. Den utføres via fjernkontroll bak store strålingsskjold. Denne prosessen produserer nye, sterkt radioaktive avfallsstoffer som må lagres. I tillegg til de store tekniske og sikkerhetsmessige problemene forbundet med denne syklusen, er også transporten et problem. Nye brenselelementer kan fraktes i nokså vanlig emballasje. Når de har vært brukt, er de imidlertid blitt sterkt radioaktive og krever kraftig strålingsbeskyttelse. To tonn bestrålt brensel trenger en em­ ballasje på 50 tonn. Nye brenselelementer fraktes med fly, båt og over land. Bestrålt brensel krever massiv emballasje og spesialbeskyttete transportmidler.

Brenselstavene settes ned i aktorkjernen under kontrolrte forhold. Noen reaktorer å da stoppe mens denne isettingen foregår. Kjernens tpbygning kan variere fra aktor til reaktor. Her ser vi sn kompakte kjernen i en forsringsreaktor som er under

▲ Malmen oppredes og innholdet av U-235 kan anrikes. Uranet pulveriseres og omgjøres til små brikker som settes inn i metallrør - av zirkoniumlegeringer eller rustfritt stål - som fraktes til reaktoren for bruk som brensel. Disse metallrørene er da svakt radioaktive.

► Uranmalm, som ofte inneholder under 1 prosent uran, hentes ut i dagbrudd og underjordiske gruver. Det skjer hovedsakelig i Nord-Amerika, Sør-Afrika, Australia og Sovjet­ unionen. Forekomster letes opp ved å registrere gammastråling fra fly.

KJERNEKRAFT

19

Strontium

U-236 Moderator

a —► IU-235Ikjerne

Xenon

U-235

U-236

▲ Fisjon skjer når et nøytron sendes inn mot en urankjerne slik at den spaltes og frigir nye nøytroner som spalter andre kjerner i en kjedereak­ sjon. Nøytronene kan bremses ned med stoffer kalt moderatorer og absorberes av andre (som bor).

▲ Brukt brensel må fraktes bort for gjenvinning eller lagring. Mange fisjonsprodukter, som plutonium-239 og strontium-90, er sterkt radioak­ tive. Brenselet fraktes med tog eller skip i spesialbeholdere som skjermer godt mot strålingen.

◄ Blant lavaktivt avfall er kjolevæske som brukes i reaktoren, verktøy og klær. Disse er bare litt forurenset eller inneholder stoffer som er lite radioaktive. Store mengder slikt avfall plasseres i beholdere som senkes til havs eller graves ned.

I gjenvinningsanlegget kan brenselet bli tatt ut av brensel­ stavene, og uranet og pluto­ niumet felles ut fra avfallet. Så skilles plutoniumet og uranet ut som oksider og lagres slik. Alt dette foregår via fjern­ kontroll, uten at mennesker er i nærheten av avfallet.

► Mengden høyradioaktivt avfall reduseres ved fordamp­ ning og lagres i spesielle kjølebeholdere. I noen land smeltes det om til små glassampuller for sluttlagring. VI ser her et fransk anlegg for å gjøre om avfallet til denne type ampuller.

Behovet for å drøye uranreservene og bevare plutoniumet, gjorde at man i 1950-årene startet gjenvinning. Ikke alle typer reaktorer tar brensel som kan gjenvinnes, og selv gjenvunnet brensel har store mengder giftstoffer som må lagres.

Problemene med kjernefysisk avfall Kjernekraft er et meget omdiskutert tema. I tillegg til bekymringene om hvor sikker selve reaktoren er, er det største problemet hva som skal gjøres med avfallet. I hele syklusen kjernebrenselet gjennomgår, er alle de berørte stoffene i større eller mindre grad radioaktive. Nøytroner som sendes ut fra reaktorkjernen gjør alt i deres nærhet radioaktivt. Under etterfylling av brensel må man fjerne brukt brensel og ta seg av dette på en eller annen måte. Noe av det er sterkt forurenset med stoffer som strontium-90 og cesium-137, som er farlige i flere hundre år, og plutonium-239 og americium-241, som ikke er trygge på mange tusen år. Det dreier seg om små mengder, men hittil har man ikke funnet tilfredsstil­ lende måter å lagre dem på over så lange tidsrom. Noen land, som Sverige, har store underjordiske lagre til kjerneavfallet i geologisk stabile områder av granitt. Andre har vurdert lagring på eller under havbunnen, ved enten å senke avfallet i dype h avgroper, senke det i beholdere bygd for å trenge ned i havbunnen på mindre dyp eller bore det ned i havbunnen. Det har også vært foreslått å kvitte seg med slikt avfall ved å skyte det ut i verdensrom­ met. Selv om dette i dag ville blitt altfor dyrt, vil det kanskje bli regningssvarende med fremtidige, billigere rom transportsys terner. Lavaktive avfallsstoffer (fra reaktorkjølevæske til papirhåndklær) kan plasseres i havet eller i beholdere i leirjord. Det forutsetter at radioaktivite­ ten ikke lekker ut og forurenser omgivelsene, men reiser også moralske spørsmål som om vi har rett til å etterlate slikt avfall som et problem for fremtidige generasjoner.

20 En typisk trykkvannsreaktor bruker 3 kg brensel per døgn

Reaktoren Selve kjernereaktoren er nærmest en trykk-koker plassert i et «bio­ logisk skjold», kalt reaktorinneslutningen, som sørger for at radio­ aktiv stråling ikke slipper ut til omgivelsene. Brenselstavene er plassert i en beholder fylt med en kjøle væske som hindrer reakto­ ren i å bli overoppvarmet, og som sørger for å føre bort varmen. Beholderen inneholder også en moderator, et stoff som bremser ned farten på nøytronene som dannes i fisjonen til den hastigheten som er best egnet til å holde reaksjonene i gang. Brenselstavene er slik plassert at kontrollstaver kan heves og senkes mellom dem. Disse inneholder stoffer som bor eller kadmium som absorberer nøytroner og derfor kan bremse ned eller stoppe reaksjonene. Trykkvannsreaktoren er den vanligste konstruksjonen for kom­ mersielle reaktorer. Den bruker anriket uranoksid som brensel, mens vanlig vann under høyt trykk fungerer både som moderator og kjolevæske for reaktoren. I prinsippet er trykkvannsreaktoren en stor trykk-koker av svei­ set stål med et «lokk» som er festet med solide bolter. Inni trykktanken er reaktorkjernen med kontrollstavene, og hele reaktoren er omgitt av vanlig vann ved høyt trykk (150 atmosfærer). Kjernen inneholder brenselselementer i form av staver av zirkoniumlegeringer, som er 4 m lange og omtrent 1 cm i diameter, fylt med små sylindriske brikker av anriket urandioksid. Disse føres inn i reaktor­ kjernen og tas ut ovenfra, etter at lokket er fjernet. Kjølevannet strømmer ut av kjernen på toppen gjennom tykke rør. Derfra føres det videre til en dampgenerator der det passerer gjennom tusenvis av rør nedsenket i vann med vanlig trykk og mye lavere temperatur. Varmen overføres til dette vannet, som for­ damper og driver turbogeneratorene. Kjolevæsken pumpes så tilba­ ke inn i reaktoren i bunnen av den. Denne konstruksjonen sikrer at det meget radioaktive kjølevannet ikke slipper inn i turbinene. I kjølesløyfen er det også plassert en varmekolbe som sørger for å holde trykket i kjølevannet konstant under varierende ytelse fra reaktoren, og som hindrer vannet fra å koke. Kontrollstavene er vanligvis hengt opp over reaktorkjernen og beveges ved hjelp av mekanismer som går gjennom lokket over. Trykkvannsreaktoren må stoppes når det skal byttes brensel i kjernen. Når reaktoren er avkjølt, vil et bassengformet kammer over reaktoren, kalt reaktorbrønnen, bli fylt med vann som sørger for avkjøling og skjermer mot stråling. Deretter fjernes lokket og brenselselementene byttes ut. Denne prosessen gjøres vanligvis én gang i året. Hele reaktoren er innkapslet i en solid inneslutning av betong, med en tykkelse på 2 m eller mer. -4 Den avanserte gassavkjølte reaktoren bruker 2 prosent anriket uranbrensel. Kjernen er av bearbeidet grafitt og varmevekslerne er inni trykkbeholderen. Den danner damp med en temperatur på 650°C, mens gassavkjølte reaktorer med høy temperatur arbeider ved rundt 1000°C. ► Formeringsreaktoren avkjøles med natrium (i flytende form) og har ingen moderator. Brenselet (uran og plutonium) er i en kjerne i en større natriumtank. Varmevekslere innenfor stråleskjermen sender varme til en annen natriumsløyfe som tar den til dampgeneratorene. Kjøling med karbondioksid

Grafittmoderator

KJERNEKRAFT

21

Reaktorkonstruksjoner Mange andre reaktorkonstruksjoner enn trykkvanns­ reaktoren er i bruk. Hver er oppbygd på sin egen måte. I ulike konstruksjoner foregår forskjellige reaksjoner som danner varierende mengder radioak­ tivt avfall. Noen reaktorer brukes bare til eksperi­ mentelle formål, mens andre, som drives av forsvaret, lager plutonium for bruk i kjernefysiske våpen. Blant kommersielle konstruksjoner har gassavkjølte reaktorer vist seg å ha bedre sikkerhet enn trykkvannsreaktorer, og bruker uranet mer effektivt. Den avanserte gassavkjølte reaktoren kjøles med karbon­ dioksid, mens dette er erstattet med helium i en nyere utgave med høyere temperatur. I den kanadiske CANDU-reaktoren brukes tungtvann både som kjølevæske og moderator. Vanlig vann brukes som kjølevæske og moderator i kokvannsreaktoren der trykket er lavere og det kan brukes mindre robust trykktank. Hver av disse har sine fordeler, selv om overvekten av trykkvannsreaktorer i USA gjør at denne konstruksjonen i mange land økonomisk sett er mer interessant enn andre reaktorer. Formeringsreaktoren fungerer noe annerledes. Brenselet er pakket tettere enn i andre reaktorer og det finnes ingen moderator. På grunn av de høye temperaturene brukes et flytende metall som kjølevæske. Fordelen med denne reaktoren er at den bruker U-238 som brensel, en isotop som forekommer naturlig, sammen med litt plutonium. Navnet skyldes at en del U-238 omdannes til plutonium, slik at det brukte brenselet inneholder mer plutonium enn til å begynne med (plutoniumet har altså «formert» seg). Motstanderne av formeringsreaktoren (som av og til også kalles den hurtige formeringsreaktoren fordi den ikke har noen moderator som kan bremse nøytronene som dannes i de kjernefysiske spaltningsprosessene) peker på farene ved å lage stadig mer plutonium, som kan brukes til å lage kjernefysi­ ske våpen. Dessuten sier de at kjernens kompakte konstruksjon gjør at dersom det skjer en ulykke, er faren for en nedsmeltning av kjernen mye større enn med andre reaktortyper. En slik nedsmeltning ville kunne føre til katastrofalt høye utslipp av radioaktivt materiale.

▲ Three Mile Island i Pennsylvania der det var en alvorlig ulykke i 1979. Kjolevæske og nødpumper sviktet mens en ventil på trykktanken ble stående åpen selv om instru­ mentene sa at den var stengt Reaktortrykket falt, det ble dannet damp og man fryktet utslipp av radioaktivitet og en nedsmeltning av kjernen, men ingen skader eller lekkasjer inntraff.

► Kontrollrom for reaktor.

■4 Diagram over konstruksjo­ nen av trykkvannsreaktoren.

◄ RMBK-reaktoren (brukt i det ulykkesrammede kjernekraft­ verket i Tsjernobyl) har en grafittmoderator med brenselet plassert i over 1600 vertikale trykkrør fylt med vanlig vann. Vannet tillates å koke under kontrollerte forhold og dampen føres bort for å drive turbinen direkte. ► Konstruksjonen av PIUSreaktoren hevdes å skulle være helt trygg. Den inneholder en beholder med kaldt vann og borsyre, som absorberer nøytroner. Ethvert uhell med reaktoren ville få disse væskene til å fylle kjernen og stoppe reaktoren på en trygg måte.

CANDU-reaktoren

CA NDU-reaktoren Den kanadiske tungtvannsreaktoren CANDUreaktoren (CANadian Deuterium Uranium) er en av de sikreste og mest pålitelige konstruksjonene i kommersiell drift. Alt i 1945 drev Canada forsøk med en reaktor ved Chalk River i Ontario. Den brukte ikke-anriket, vanlig uran brensel (som Canada har store mengder av) med deuterium (tungtvann) som moderator. (Et molekyl fra vanlig vann består som kjent av to hy­ drogenatomer og ett oksygenatom. Dersom vannmolekylene ikke inneholder vanlig hydrogen, men en tyngre type hydrogen med to protoner i atomkjernen istedenfor bare ett, kalt deuterium, fås tungtvann). En annen vellykket konstruksjon var i drift i 1947. Interessen for denne reaktortypen holdt seg og i 1971 ble den første av flere CANDU-reaktorer innviet i Douglas Point, Ontario. Slike er senere eksportert til bl.a. Argentina, India og Pakistan. Som moderator i en reaktor har tungtvann den fordelen fremfor vanlig vann at det absorberer færre nøytroner. Det sløser derfor mindre med nøytronene slik at naturlig, ikke-anriket urandioksid kan brukes som brensel. En annen fordel er at brenselselementene kan plasseres lenger fra hverandre. Ulempen er at tungtvann er meget dyrt. Reaktorkjernen er derfor konstruert for å minimalisere mengden av tungtvann som brukes. Brenselselementene, som kan byttes ut uten å måtte stoppe reaktoren, er plassert i rør av en zirkoniumlegering. Tungtvann med et trykk på 90 atmosfærer pumpes gjennom disse for å frakte varmen fra reaksjonene til en varmeveksler, der vanlig vann omgjøres til damp for bruk i turbinene. Trykkrørene er plassert inni en beholder som inneholder tungtvannsmoderatoren. Omtrent halvparten av energien reaktoren produserer skyldes fisjon av plutonium, som dannes under spaltingen av U-235. Den høye driftssikkerheten til CANDU-reaktoren skyldes at reaktoren reagerer nokså langsomt. En annen fordel er at brenselet hverken må an rikes før bruk eller må til gjenvinning etter bruk.

1 2 3 4 5 6

'■

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Administrasjon og vedlikehold Hovedkontrollrom Lagerrom Rom for bestrålt brensel Resirkulert kjølevann, varmevekslere og pumper Pumper og lagertanker for avmineralisert vann Nødaggregat Kontrollutstyr Reservekontrollrom Nødkjølesystem for kjernen Heisekran Reaktorbygning Buetak Vanntank til sprinkleranlegg Sprinkleranlegg Arbeidsplattform Pumper tiF Varmetransport

18 Oppsamlingstanker ved reaktorinntak 19 Tilførselstanker ved reaktorinntak 20 Maskinutstyr til reaktor 21 Varmeveksler for moderator 22 Dampgeneratorer 23 Hoveddamprør 24 Oppsamlingstanker ved reaktoruttak 25 Tilførselstanker ved reaktoruttak 26 Stråleskjold 27 Beholder 28 Reaktorkanaler 29 Brenselsmaskin 30 Vogn til brenselsmaskin 31 Vedlikeholdsstativ for brenselsmaskin

32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

Luftsluse Gulv i dampgeneratorrom Turbinhall Varmeelement for lavtrykksdamp Gjenoppvarming av damp Stengeventil for turbin Høytrykksturbin Lavtrykksturbin Generator Rør med lavtrykksdamp Kran i turbinhall Lagringstank Reservevanntank Vanninntak til kjølevannskondensator Pumpehus Pumper for kjølevann til kon­ densator

▲ CANDU-reaktoren består av et nett med 208 brenselskanaler inni en 7,8 m lang beholder laget av rustfritt stål. Det er to dampgeneratorer som produserer damp med en temperatur på 260°C, men det er bare én krets der det sirkulerer kjølevæske.

24

Tokamaken

vekselvirker med en strøm som passerer gjennom plasmaet og danner spiralformete feltlinjer rundt plasmaet.

▲ En fusjonsreaktor vil utnytte energi som frigis når to hydro­ genisotoper fusjonerer.

► JET-tokamaken (Joint European Torus), bygd i Culham, Storbritannia, kom i drift i 1983. Den ventes å nå full ytelse i 1990, da de første eksperimentene med deuterium og tritium skal starte.

Kontrollert fusjon Fusjon - der energi kommer fra to atomkjerner som smelter sam­ men - håper mange på sikt skal bli en trygg og nærmest utømmelig kilde til energi. Til tross for den intense forskningen som pågår, er det lite sannsynlig at den vil kunne realiseres før etter år 2000. En dramatisk demonstrasjon av fusjon fant sted da den første hydrogenbomben ble detonert i 1952. Da var man alt i gang med de første prosjektene som skulle prøve å gjøre kontrollert fusjon til en ny energikilde. Den viktigste fordelen med denne metoden er at den gir oss tilgang til en nærmest utømmelig energikilde havene. Fusjonsreaktorer vil bruke de to tunge hydrogenisotopene deuterium og tritium. Deuterium forekommer naturlig i vann, og selv om det ikke finnes naturlige forekomster av tritium, kan det produseres fra litium som en del av den normale driften av en fusjonsreaktor. Fusjonsreaktorer vil heller ikke by på de store pro­ blemene med radioaktivt avfall som dagens fisjonsreaktorer gjør. Nåværende forskning om fusjon som fremtidig energikilde kan deles i to hovedretninger: Magnetisk innesperring og laserimplosjon. I den første forekommer hydrogenisotopene som et plasma (en gass som er så varm at elektronene er revet løs fra atomkjerne­ ne). Når temperaturen blir høy nok, vil hydrogenisotoper kollidere, smelte sammen og danne helium under frigjøring av energi. Til det trengs en temperatur på minst 100 000 000°C, noe som ville få ethvert stoff til å fordampe. Derfor må plasmaet sperres inne i et magnetfelt («magnetisk flaske»). I den andre metoden benyttes kraftige lasere til å varme opp en kule av deuterium og tritium for å få atomkjernene i den til å fusjonere. Det har vært forsket mye på den første metoden og man prøver nå å holde små mengder materie på de nødvendige trykk og temperaturer i noen sekunder. I midten av 1980-årene hadde man lykkes i å frembringe tempera­ turer på godt over 100 000 000°C, men ikke samtidig som andre nødvendige betingelser var oppfylt.

Alternative energikilder Fornybare og ikke fornybare energikilder... Solenergi: Solsamlere og solceller... Vind-, bølge-, tidevanns- og vannenergi... Geotermisk energi... PERSPEKTIV... De mange formene for solenergi... Vindmøller... Havvarme

Energi er det som holder vårt moderne samfunn i gang, og særlig her i den vestlige verden bruker vi enorme mengder av den, hoved­ sakelig energi fra fossile energikilder som finnes i begrensete meng­ der. Det er blitt nødvendig å planlegge for en fremtid der energifor­ bruket er bedre tilpasset virkelige behov, og der energien kan hen­ tes fra fornybare ressurser som rimelig lett lar seg utnytte. Fossile energikilder kan ikke fornyes. De ble dannet over flere millioner år av levende organismer som fikk sin energi fra Solen, via fotosyn­ tese. I letingen etter alternative kilder har forskjellige land valgt ulike veier. I Brasil utvinnes energi fra sukkerrør, mens man i Kina investerer i utstyr som kan omgjøre landbruksavfall til brensel. På Island utnyttes geotermisk energi til å husoppvarming, mens det i USA investeres i utviklingen av solceller, som er et biprodukt fra romteknologi. Satsingen på forskning omkring alternative energikilder har ikke alltid vært like sterk, og har til en viss grad gjenspeilet prisen og tilgangen på fossile energikilder. Da oljen var billig, og kjernekraft så ut til å kunne understøtte en nærmest ubegrenset vekst, virket byggingen av store vind- eller bølgedrevne elektriske generatorer nærmest som unødvendige fremtidsvyer. Den kraftige økningen i oljeprisene i midten av 1970-årene stimulerte til økt forskning på disse områdene, og bølgekraftmaskiner brukes nå til kommersiell elektrisitetsproduksjon. Den økonomiske nedgangen og de lavere oljeprisene i de tidlige 1980-årene gjorde at nye metoder, ofte med høye utviklingskostnader, sank i popularitet igjen. Likevel kan de vise seg å bli viktige alternativer i fremtiden. Solenergi Månen

Solen

0,5 enheter

30 000 enheter

A Det stående vannhjulet, som dette gamle eksemplaret i Spania, har siden i hvert fall første århundre f.Kr. vært brukt til å utnytte vannenergi. Vannhjulet ble først brukt til å male korn, og siden til å drive andre typer maskiner.

Reflektert stråling 8000 enheter

Utstrålt varme 15 000 enheter Fordampning 7000 enheter

Jordatmosfæren

Regn

Elver

0,04 enheter

Hydroelektrisitet

Vannhjul

•o o 60 enheter

Vind

E o

Bølger

Direkte energi

Vindmøller

Elektrisitet I

Skipets utvikling... Seildriftens opp- og nedgang... Kraft fra damp, diesel og kjerneenergi... Transport under vannet: Undervannsbåter og undervannsroboter... Transport på vannet: Luftputebåter og hydrofoiler... PERSPEKTIV... Kronologi... Datamaskinstyrte seilskip... Propellfremdrift... Slik virker en undervannsbåt

Sjøgående fartøyer var blant menneskenes første skritt i retning av en teknologisk utvikling. Funn fra de første sivilisasjonene tyder på at de tidligste båtene av siv og uthulte trestammer dukket opp rundt 8000 f. Kr., men sjøreiser kan ha forekommet flere tusen år tidligere. Båten utviklet seg forskjellig i de ulike delene av ver­ den, og noen eldre typer, som den arabiske dhowen, eksisterer fremdeles. I 1500-tallets Europa var det det fullriggete, tremastete, havgåen­ de skipet som ble standarden, og som i sjødyktighet bare ble forbi­ gått av den kinesiske djunken. Konstruksjonen var en kombinasjon av flere typer: Koggen, en bred båt med dypt skrog av samme type som i vikingenes langskip med ror bak, råseil, baugspryd og et oppbygd «hus» bak; og nefen, en kravell eller båt med glatte sider av bysantinsk opprinnelse. Sistnevnte hadde arvet spantverket sitt fra en gammel fønikisk skipstype, og benyttet også latinerseilet som først ble utviklet av araberne og ga god manøvrerbarhet. Resultatet var en robust, strømlinjeformet konstruksjon, med en blanding av latinerseil og råseil som gjorde at skipet kunne gå nær opp mot vinden, og seile med den. Denne konstruksjonen holdt seg frem til oppfinnelsene av jernkonstruksjoner, dampmaskiner og propel­ ler revolusjonerte vanntransporten over 300 år senere. ▲ Den beskrivelsen Marco Polo ga av en djunke i 1298 - som er den tidligste vi kjenner i Vesten - kunne like gjerne vært brukt på de som i dag er i bruk i kinesiske farvann. Båten styres med et ror bak og bevegelige seil. Seilet, et såkalt luggerseil med spiler som gjerne er av bambus, er forøvrig et meget karakteristisk trekk ved denne båttypen. Skroget er delt i vanntette rom ved tverrgående skott, slik at noen deler av skipet kan fylles med vann uten at det vil synke.

◄ «Great Harry» var et engelsk krigsskip i 1550-årene. Ruffen er her plassert lavere enn på tidligere skip. Dermed ga den mindre vindmotstand i baugen, noe som forbedret manøvrerbarheten og farten, særlig til lovart. Et spantverk med et skrog av planker og en langs­ gående bjelke kalt et kjølsvin som var festet til kjølen, var de viktigste strukturelle støttene for denne nye og større typen krigsskip.

86 Kronologi

Ro- og seilkratt Åttende årtusen f. Kr. Sivbåter og uthulte båter brukt Tredje årtusen f. Kr. Seilbåter brukt i Egypt ca 1200 f. Kr. Havgående «rundskip» brukt av fønikerne i Middelhavet Femte århundre f. Kr. Tiden for greske trierekrigsskip

Tredje århundre e. Kr. Araberne innførte gaffelseil Åttende århundre Vikingenes langskip med hengslet ror bak og flere master, kunne krysse Atlan­ terhavet 15. århundre Fullriggete havgående skip innført i Europa 16. århundre Galeonene ble tatt i bruk

18. århundre Strømlinjeformete fregatter 19. århundre Klippere ble bygd, store frakteskip med minimal vannmotstand, for bruk på ruter fra Det fjerne østen til Europa 1980 «Shinaitoku Maru», første handelsskip med seil på 50 år bygd i Japan, men med motorer som huvedfremdriftssystem

Seilskipet Seil er en av de eldste, mest holdbare og enkleste teknologiene som er oppfunnet for å omgjøre en naturressurs til en energikilde for fremdrift. Seilbåten eller seilskipet, som var enerådende frem til midten av 1800-tallet for havgående fartøyer og ennå brukes mye på fritidsbåter, har i tusenvis av år bevart sine grunnleggende trekk. Samtidig har de lagt grunnlaget for de mange skipstypene vi i dag ser på verdenshavene. Rundt 3000 f Kr oppdaget egypterne at de kunne reise opp Nilen ved å montere en mast og et råseil på båtene sine, og slik dra nytte av vindene som ofte blåste oppover floden. Ekstra seil, som toppseilet og breifokken, ble innført av handelsmenn på romerri­ kets tid. Disse kunne justeres for å ta inn vinden fra ulike hold, men det var først med gaffelseilet og latinerseilet som ble innført på de arabiske dhowene på 200-tallet etter Kristus at det ble mulig å seile mot vinden. Det kunne også de kinesiske djunkene, som til tross for sitt lite pene utseende med flere master, oppviste en overlegen aerodynamisk effektivitet. Det fullriggete skipet med tre master ble i løpet av 1400-tallet standard i Europa. Gjennom for­ bedringer av seilføringen og skroget, ble det forløperen for de hurti­ ge teskipene som krysset havene på slutten av 1800-tallet. Til tross for den store overlegenheten til vårt århundres skip av metall som drives med motorer, er seilskipene så langt fra for­ svunnet. Nye materialer og skrogkonstruksjoner har gjort seiling til en populær fritidsaktivitet og konkurransesport. Faktisk begyn­ ner seilet også å komme tilbake på større skip. I Japan har seil vært forsøkt på lasteskip for å hjelpe motorene og spare drivstoff på lange turer der det seiles i områder med gunstige vinder. Disse skipene ligner på de krysningene mellom damp- og seilskip som dukket opp på 1800-tallet, som den britiske ingeniøren I. K. Brunels Great Britain. Forskjellen er at dagens utgaver har seil av stål og plast, i tillegg til av seilduk, og er styrt av datamaskiner for best mulig å kunne utnytte vinden.

Damp, diesel og kjerneenergi 1783 Første fungerende dampbåt, «Pyroscaphe», bygd av Jouffroy dAbbans i Frankrike 1802 Første økonomisk vellykkete hjuldamper sjøsatt i Skottland 1821 Første handelsskip med metallskrog, «Aaron Manby» ble sjøsatt 1836 Propellen patentert av

Francis Pettit Smith i England og John Ericsson i USA 1838 Første havkryssing med dampfremdrift, i «Great Western», bygd av I. K. Brunel, og slepebåten «Sirius» 1839 «Archimedes», første havgående skip med propell, bygd av Joseph Ressel, USA 1845 «Great Britain» sjøsatt, bygd

▲ Modell av en gammel egyptisk båt brukt på Nilen. Måler for vindretning og -hastighet

Tverrsnitt - utfoldet

Fast mast

brukt sammen med dieselmo­ toren i omtrent 60 prosent av tiden, noe som reduserte drivstoff-forbruket med 10 prosent. En datamaskin, som hele tiden får data om vindha­ stighet og -retning i forhold til skipet, kontrollerer seilene automatisk ved å åpne, lukke og rotere dem som vist på diagrammet. Slik kan seilene dra størst mulig nytte av en gunstig vind eller, omvendt, yte minst mulig motstand overfor motvind. En mikropro­ sessor koblet til motoren justerer dens ytelse bestemt av hvorvidt man kan dra nytte av vind eller ikke.

■4 Denne seilskuten fra sent på 1800-tallet tilhører den siste generasjonen handels­ skip med seil. De ble bygd for turer rundt Kapp Horn, og var mer romslige enn hurtige. Overgangen fra seilskip til dampskip startet rundt 1870. Likevel ble det i 1875 bygd flere seilskip enn dampskip, men den samlede tonnasjen av dampskip var allerede da større enn den av seilskip.

VANNTRANSPORT

av Brunel, første passasjerbåt av jern med propellfremdrift 1897 «Turbinia», første turbindrevne dampskip bygd av C. A. Pearsons 1902 Første dieselmotor til sjøs, installert på en fransk kanalbåt 1906 Første slagskip av typen dreadnought bygd 1937 Hydrofoilbåter tatt i bruk

kommersielt, på Rhinen 1953 Første luftputebåt, SRN 1, bygd i Storbritannia 1958 «Savannah», et amerikansk handelsskip sjøsatt, første med kjernefysisk fremdrift 1968 Luftputefartøy ble for første gang tatt i bruk i større målestokk, som bil- og passasjerferjer over Den engelske kanai

▲ ► Hemmelighetskremmeriet rundt konstruksjonen av moderne konkurransebåter viser hvor viktig teknologien er. Suksessen til «Australia II» (høyre) i America’s Cup i 1983 skyldtes delvis kjølkonstruksjonen den brukte, nemlig en vingeprofil for økt stabilitet. Nye finesser på kjølen til «Australia III» (venstre) for samme kon­ kurranse i 1987, ble skjult under presenning, men til liten nytte, da båten tapte denne konkurrensen.

Undervannsbåter 1620 Første kjente nedsenkbare fartøy oppfunnet av Cornelius van Drebbel 1776 Bushnells «Turtle» bygd, første undervannsbåt med oppdriftstanker 1800 Fultons «Nautilus» ble bygd med dybderor som kunne dirigere den opp eller ned når den var

neddykket og hadde tanker med komprimert luft 1863 Manuelt styrt propelldrevet fartøy brukt i den amerikanske borgerkrigen 1863 Første mekanisk drevne un­ dervannsbåt bygd i Frankrike 1900 J. P Holland bygde den første moderne undervannsbåt med forbrenningsmotor for overfla-

tedrift og elektrisk motor i neddykket tilstand 1944 På tyske undervannsbåter ble det tatt i bruk luftinntak som ble hevet over vannflaten for å skaffe luft til dieselmotoren på periskopdybde 1954 USA sjøsatte historiens første undervannsbåt drevet med kjerneenergi, «Nautilus»

87

88 Kjernefysisk fremdrift er nå nesten helt begrenset til militære skip

Motordrevne skip Franskmannen Denis Papin foreslo på midten av 1600-tallet som den første at en båt kunne drives frem med dampkraft, men han var ikke i stand til å utvikle idéen videre. Først på slutten av 1700tallet startet man mer seriøse forsøk med dampdrevne båter, der de største fremskrittene ble gjort av marki Jouffroy d'Abbans i Fran­ krike i 1783 og John Fitch i USA i 1787. De prøvde å bruke et kjede til å overføre kraft fra motoren til skovler. Men det var først i 1803, da skotten William Dundas bygde inn en veivaksel i Char­ lotte Dundas, som ga en mer effektiv rotasjonsbevegelse, at den første vellykkete dampdrevne båten så dagens lys. I 1830-årene kom flere viktige fremskritt. Den engelske oppfin­ neren Samuel Hall tok i 1834 patent på overflatekondensatoren, en måte å omgjøre damp til ferskvann slik at det kunne brukes om igjen. Da jernskipet Garry Owen fire år senere overlevde en grunnstøtning, forsvant også frykten for at slike skip ville synke dersom skroget ble skadet. Propellen, som med sin høyere effekti­ vitet snart skulle danke ut skovlhjulet på store havstrekninger, ble oppfunnet nesten samtidig i 1836 av engelskmannen Francis Pettit Smith og svensk-amerikaneren John Ericsson. Med en tur Great Western foretok i 1838, beviste den britiske ingeniøren I. K. Brunel (1806-1859) at et skips rekkevidde kunne økes ved å ta med mye brensel, uten at dette gikk på bekostning av skipets ytelse. Til tross for dette ga mangelen på brensel på de lengste rutene fortsatt seildrift en fordel fremfor damp. Brunel prøvde å løse dette problemet med Great Eastern. Da det ble sjøsatt i 1858 var det verdens klart største skip som til da var bygd, og et teknisk vidun­ der langt forut for sin tid. Det var utstyrt med både seil, skovlhjul og propell, men var konstant plaget av en rekke problemer. Derfor fikk det aldri seile ruten fra Storbritannia til Det fjerne østen, som det var bygd for. Den teknologiske utvikling ble kraftig stimulert av konkurransen om å foreta den raskeste kryssing av Atlanterhavet. Skrogene ble omkonstruert for å gi minst mulig motstand og best mulig oppdrift, og jernplater som var klinket sammen, ble erstattet med stålplater som ble sveist. De nye maskinene med tredobbel ekspansjon sørget for en lett og effektiv kraftkilde, og i 1897 demonstrerte den britiske ingeniøren C. A. Parsons den første turbindrevne båten. Senere utviklinger av girteknikker gjorde det mulig for turbinen å gå med høy hastighet, mens propellen gikk med optimal hastighet. I løpet av det tyvende århundre førte militære behov til byggeprogrammer større enn noen verden før hadde sett. Dette fremmet den teknologiske utvikling, samtidig som dieselmotoren overtok et­ ter dampmaskinen som den mest utbredte kraftkilden. Kommersiell interesse i økt effektivitet og bedre økonomi førte til produksjon av stadig større skip, både når det gjaldt passasjerskip - særlig mellom de to verdenskrigene - og innen den industrielle sektor, inklusive oljetankere og containerskip. I 1950-årene håpte man at kjerneenergi ville bli en ny, viktig drivkilde for langdistanseskip av alle slag. Bortsett fra i under­ vannsbåter og hangarskip, har det imidlertid vist seg at fordelene ved den enorme rekkevidden kjerneenergi gir, mer enn oppveies av høye kostnader og sikkerhetsproblemer forbundet med bruk av kjernereaktorer om bord. På den sivile sektor er det bare sovjetiske isbrytere som benytter denne energikilden, mens både Japan, USA og Vest-Tyskland de senere år har bygd om sine kjerneenergidrevne fartøyer til bruk av konvensjonelt drivstoff. USA bygde i 1958 det første handelsskipet drevet med kjerneenergi, Savannah. Skipet var oppkalt etter det første dampskipet som krysset Atlanterhavet, men driften ble aldri lønnsom.

Propellen Etter at den først ble laget av den svensk-amerikanske Ingeniøren John Ericsson (1803-1889) i 1836, er propellen fortsatt den mest effektive innretningen til under vann å omgjøre motorens drivkraft til fremoverrettet bevegelse av skipet. Propellbladene står radielt utover i en spiralform fra navet. Når de roteres, gjør propellbladenes skråstllling at det dannes et overtrykk på den ene siden av dem, og et undertrykk på den andre. Trykkfor­ skjellen medfører at vannet blir akselerert gjennom spiralen og får økt bevegelsesmengde. Skyvkraften er proporsjonal med vannets masse og akselera­ sjon. For den mest effektive fremdrift bør vannets masse være stor og akselerasjonen liten, noe som oppnås med en stor, saktegående propell. Store blad lages for å begrense det som kalles kavitasjon, der trykkreduksjon på forsiden av bladene kan forårsake dannelsen av bobler i vannet, noe som reduserer propellens effektivitet. Ved å omslutte propellen med en ring, kan man oppnå mer effektiv akselerasjon av vannet og øke skyvkraften med opptil 25 prosent. Propeller med variabel skråstilling muliggjør regulering av skyvkraf­ ten ved å dreie bladene.

▲ Den bakre bulbplaten er laget for å utjevne bølgene ved skipets akterstavn. Det reduserer virveldannelsen og dermed energien som trengs for å holde en fast hastighet.

▲ En dyse foran propellen skaper en virvelbevegelse i vannet motsatt rettet av propellens rotasjonsretning, og øker effektiviteten av propellen med 4-8 prosent.

VANNTRANSPORT

▲ De største oljetankerne, som denne fra Iran, er dampdrevne. De fortrenger opptil en kvart million tonn med vann og bruker meget effektive turbiner og propeller som skyver dem fremover gjennom vannet. Verdens første tankskip i regulær fart var forøvrig de to norske barkene Lindesnæs og Stadt.

◄ «Great Britain» ble i 1845 det første dampskipet drevet av en propell som krysset At­ lanterhavet. I skipets skrog tok Brunel i bruk vanntette skott og bjelker for a gi det styrke i lengderetningen. ► Den finske isbryteren «Otso» ble sjøsatt i 1986. Et luftboblesystem lager en strøm av vann og luft mellom skroget og isen. Det minsker friksjonen og motstanden mot skipets fremoverrettete bevegelse.

89

90 Kjerneenergi gjør det mulig for undervannsbåten å tilbakelegge over en halv million kilometer uten å fylle drivstoff

Manøvrering av en undervannsbåt

Komprimert luft

Ballasttanker

Ventiler

▲ En tegning fra 1885 av Bushnells «Turtle».

Undervannsfartøyer Utviklingen av transport under havflaten har primært vært styrt av militære behov. Den første brukbare undervannsbåten, Turtle, ble konstruert av amerikaneren David Bushnell i 1776. Formålet med den var å feste eksplosive ladninger til skrogene på britiske skip under Uavhengighetskrigen. Selv om den hadde liten effekt, viste fremdriftsmekanismen og bruken av oppdriftstanker til ned­ stigning og oppstigning seg å bli forløpere for den senere utvikling. I Robert Fultons Nautilus fra 1800, med plass til tre mann, ble det tatt i bruk en metallkonstruksjon. Den franske Plongeur fra 1863 ble drevet av et stempel som ble tilført komprimert luft. Forsøk med dampdrift og elektrisk fremdrift kunne ikke fremskaffe en un­ dervannsbåt som var brukbar over lengre avstander. I 1900 kon­ struerte imidlertid irsk-amerikaneren John P. Holland et fartøy med en forbrenningsmotor for bruk på overflaten og en elektrisk motor når det var neddykket. Bruken av dieselmotorer, sammen med en snorkel som ga frisk luft mens man var nedsenket til periskopdybde, førte til den sterke utviklingen som fant sted under den andre verdenskrig, og som kulminerte med verdens første undervannsbåt drevet med kjernefysisk energi, USAs Nautilus, i 1954.

Undervannsbåter drevet med kjerneenergi Før kjernefysisk fremdrift ble oppfunnet, var besetningens og maskineriets behov for oksygen den begrensende faktor. En kjernereaktor, som ikke trenger oksygen og ikke lager giftige avgasser, kan gi en rekkevidde på over 600 000 km på én drivstoff-fylling. Nytt utstyr for å utvinne oksygen og ferskvann fra sjøvann, gjør at en undervannsbåt kan være neddykket i lange tider. En trykkvannsreaktor leverer damp som driver båtens hovedfremdriftsturbin. Den er koblet til propellen enten via et reduksjonsgir eller ved en turboelektrisk overføring. Ballasttanker kon­ trollerer undervannsbåtens oppdriftsevne. Når den er neddykket, holdes den i en tilstand med null oppdrift ved å overføre vann til og fra trimtanker. Båtens kurs gjennom vannet kontrolleres rundt vertikalaksen ved et ror, og langs horisontalaksen ved dybderor. Navigasjon skjer ved hjelp av et treghetsnavigasjonssystem av gy­ roskop og akselerometre, sammen med avansert sonar- og radarutstyr som også er helt uvurderlige for undervannsbåtens evne til å oppdage andre og angripe.

▲ ► Når en undervannsbåt skal stige opp (1), presses komprimert luft vann ut av bal­ lasttankene gjennom ventiler under båten. På overflaten (2) er ballasttankene helt tomme. For å dykke (3) slippes vann inn via ventilene på undersiden, mens luft slippes ut gjennom ventiler på oversiden. Kursen endres ved å bevege dybderor foran og bak (4) og ved å bruke et mer konvensjonelt ror (5).

▲ USS «Will Rogers» er en atomdrevet undervannsbåt med raketter med kjernefysi­ ske stridshoder som kan nå mål 4000 km borte. Den bruker et satellittnavigasjonssystem og kan skyte opp raketter mens den er neddykket.

-4 ► Ikke alle nedsenkbare fartøy er bygd for militære formål. Både i oseanografisk forskning, mineralleting og vedlikehold av oljeplattformer brukes batyskafer; små, frittbevegelige undervannsbåter som er konstruert for å motstå høye trykk på store dyp. Den lille undervannsbåten «Perry» (venstre) har et skrog av plast og drives av en liten elektrisk motor. Sylindrene montert på utsiden inneholder nok luft til besetningen til én ukes drift. I et eget kammer forbereder dykkerne seg på trykkendrin­ gene før og etter arbeid utenfor. Enmannsfartøyet «Spider» (høyre) gir dykkeren mulighet for å arbeide helt omsluttet av det, som Bushnells «Turtle». I tillegg til bemannede undervannsbåter, er det i de senere årene utviklet en rekke ubemannede undervannsbåter som fjernsty­ res fra overflaten.

92

Propell

Vifte

Fingre

riiiiimii

Overtrykkskammer

Luftpute_______________

Overtrykkskammer

Fleksibelt skjørt

Luftpute

En kraftig racerbåt med aerodynamisk konstruksjon er i stand til å nå opp i hastigheter på 500 km/t. For å greie dette må skroget heves opp over vannet for å få minst mulig overflatekontakt og motstand. For passasjerbåter som går på ruter der hurtighet og komfort er viktig, som korte kryssinger av fjorder eller mellom øy­ er, er det opplagt en fordel å kunne bruke dette prinsippet. Den britiske båtkonstruktøren Christopher Cockerell (født 1910) oppfant i 1953 et luftputefartøy som også var praktisk brukbart. Det enkle prinsippet om at en luftpute av komprimert luft kunne løfte et fartøy av betydelig størrelse, har siden vært anvendt på luftputefartøyer som går i rutetrafikk over Den engelske kanal. Men prinsippet er også ideelt for amfibiefartøyer som brukes i sumpom­ råder eller isdekkete områder over hele verden. Hydrofoilen, som først ble demonstrert av den italienske luftskipkonstruktøren Enrico Forlanini (1848-1930) mellom 1905 og 1911, bruker det samme aerodynamiske prinsipp som produserer løftekraft for et fly, for å løfte skroget opp av vannet ved marsjhastighet. Fordi vann har mye større tetthet enn luft, trengs langt mindre overflate på «sjøvingen» enn for et fly. Hydrofoiler brukes en del til fergetjenester omkring i verden. Prinsippet er det samme som for et fly, men arbeidsmediet er vann istedenfor luft.

< ▲ Luftputebåten drives av gassturbinmotorer som driver propeller med dreibare blad som gir fremdrift Koblet til disse er løftevifter som suger inn luft og tvinger den inn i overtrykkskammeret innefor det fleksible skjørtet. Derfra føres luften innover og utover ved «fingre», og danner dermed en «pute» av luft under fartøyet. Dermed ser det ut til å «sveve».

▼ Hydrofoilen løftes klar av vannoverflaten ved hjelp av vinger montert på «stylter». Dermed minskes motstanden som hindrer høy hastighet. Som med luftputebåten, er det høye drivstoff-forbruket en hindring for bruk over store avstander. Flere typer kraft­ overføring har imidlertid vært prøvd, som denne moderne, jetdrevne hydrofoilbåten bygd av Boeing.

Lufttransport Den første motoriserte flyvningen... Slik flyr et fly... Militær og sivil luftfart... Jetpassasjerflyet... Nye flyteknologier... PERSPEKTIV... Kronologi... Aerodynamikk... Helikoptre... Boeing 707... Styrt som kan overleves... A320 og «fly-by-wire»

I__ -

. .. ..1—____ H------------------------------------------------- J

Den 17. desember 1903 greide de amerikanske brødrene Wilbur og Orville Wright å foreta den første kontrollerte, maskindrevne flyvning i deres Flyer I, noe som skjedde ved Kili De vil Hills i Nord-Carolina, USA. Den siste av de fire korte turene var på 260 m mot en stiv bris. Denne triumfen kom som et resultat av tre år med eksperimenter med glidefly. I løpet av disse årene med eksperimenter hadde de lært å oppnå treaksekontroll i luften (rundt lengde-, horisontale og vertikale tverrakser). I 1905 kunne Flyer III - en dobbeltdekker med et vingespenn på over 12 m drevet av en 16 hk motor som drev to skyvepropeller - krenge, svinge og fly i åttetall. Dessuten kunne det fly i 30 minutter i 50-60 km/t. Den samme ustabile formen med halen først og skyvepropeller, gjør nå, 90 år senere, på nytt sin inntreden i flyvning ved en avan­ sert, lett fly konstruksjon som kan bli 1990-årenes passasjerfly. Siden 1903 er grensene for flyvning med vinger blitt presset sta­ dig lenger. Topphastigheten er økt fra rundt 50 til 3520 km/t, høy­ den fra noen få meter til 35 000 m, og tilbakelagt distanse fra 35 m til 20 000 km uten stopp. Tiden det tar å krysse Atlanterhavet er redusert fra døgn til timer, samtidig som det har utviklet seg en verdensomspennende transportindustri som frakter flere millio­ ner passasjerer og har en omsetning på flere milliarder dollar. Wright-brødrene fraktet sin første passasjer i 1908. Innen 11 år var de første passasjerrutene mellom London og Paris startet. Den første, daglige, internasjonale flyruten over Den engelske kanal tok 2,5 timer.

▼ «Flyer I», som her flys av Orville Wright på jomfruturen i 1903, var en etterkommer etter lettere glidefly som ble prøvd av Wright-brødrene. Vellykkete kontrollmetoder ble utviklet med høyderor, haleror og vridning av vingene, sammen med en hjemmelaget forbrenningsmotor med passende ytelse, det vil si forhold mellom skyvkraft og vekt.

▲ Selv om Beech «Starship 1» drives av to avanserte turbopropmotorer og bruker de mest moderne komposittmaterialer, er dens oppbygning likevel ikke ulik «Flyer l»s. «Starship 1» er konstruert med datamaskin for optimal stabilitet og ytelse. Propellene er bak, mens to såkalte horisontalstabilisatorer sitter foran på flykroppen.

94 Kronologi 1783 Historiens første bemannede ballongferd foretatt av Montgolfierbrødrene i varmluftsballong over Paris 1783 Første ferd med hydrogenballong, J. A. C. Charles 1852 Første ferd for et mekanisk drevet luftskip laget av Henri Giffard, Frankrike 1891 Kontrollerte forsøk med

seilfly startet av Otto Lilienthal i Tyskland 1900 Prototyp på stort luftskip av Zeppelin-typen med forbrenningsmotor og rammeverk av aluminium 1903 Første kontrollerte, motor­ drevne ferd i maskin tyngre enn luft av Orville og Wilbur Wright i USA 1907 Første frie vertikale ferd av

Paul Cornus helikopter med to rotorer i Frankrike 1908 Første lengre flyvning, fra Mourmelons til Rheims i Frankrike av Henry Farman, i fly med balanseror 1909 Første oversjøiske flyvning, fra Frankrike til England, av Louis Blériot 1910 Luftskip ble tatt i bruk til

kommersiell drift med Zeppelin i Tyskland 1912 Selvbærende karosseri innført på den franske racerbilen Deperdussin 1915 Tyske Junker J1 ble bygd, første fly med frittbærende vinge helt av metall 1919 Første direkte ferd over At­ lanterhavet uten stopp, av John

Alcock og Arthur Brown 1927 Charles Lindbergh foretok første soloflyvning over Atlanterha­ vet, New York-Paris 1930 Jetmotoren patentert av den britiske ingeniøren og flyoffiseren Frank Whittle, med gassturbin for jetfremdrift av fly 1935 Jomfruturen for Douglas DC-3 «Dakota»

Slik flyr et fly Et fly har tre kontrollakser: En lengde- og to tverrakser. Kontroll om horisontal tverrakse oppnås ved høyderor på horisontalstabilisatoren bak, som får nesen til å stige eller synke. Slik økes eller minskes vingens angrepsvinkel, og med den løftekraften. Kontroll av den horisontale tverraksen gjør at flyet kan stige eller synke. Lengdekontroll oppnås med balanseror på den ytterste delen av vingen. Disse vippes ut hver sin vei - ett opp, ett ned - for å få den ene vingen til å vippe opp og den andre ned. Ved høye hastigheter kan også bremseklaffer brukes til å redusere løftet på én vinge, og slik oppnå samme effekt med mindre vridning av vingene. For å snu krenger piloten først flyet over, og løfter så opp nesen inn i svingen. Tverrkontroll, som skjer med sideroret, brukes bare for å holde flyet pekende i riktig retning. Vertikalstabilisatoren bak virker selv som en «værhane» og stabiliserer flyet. Flyet beveger seg gjennom luften drevet frem av motorkraften, som enten driver én eller flere propeller eller en jetmotor. Propelle­ ne gir fremoverrettet skyvkraft ved å akselerere luft rundt roterende blad som er formet og vridd for å gi en gunstig angrepsvinkel. Propeller med dreibare blad kan variere vinkelen på dem for å få størst mulig effektivitet på forskjellige hastigheter. Piloten flyr ikke flyet helt uten hjelp. Autostabilisering holder flyet støtt ved automatisk å registrere og utjevne forstyrrelser. Auto­ piloten flyr en kurs programmert inn i navigasjonsdatamaskinen, mens en annen enhet kontrollerer motorkraften. Med instrumentlandingssystem kan flyet landes automatisk i null sikt ved bruk av radiostråler fra sendere i ulike posisjoner nær rullebanen.

Aerodynamikk Prinsippet bak flyvning er det faktum at når luft strømmer raskere, faller trykket i luften. En vinge er formet slik at luften som strømmer over den, tvinges til å akselerere og lager et lavtrykksområde over vingen. Trykkforskjellen mellom øvre og nedre flate skaper en oppoverrettet kraft - løft - som holder flyet oppe. Mer løft fås ved å øke vingens angrepsvinkel mot luften, noe som akselererer luften forbi vingen enda mer. Det nås imidlertid et punkt der luften ikke lenger kan holde kontakt med vingen. Den rives løs og vingen mister løft, noe som kalles steiling. En vinge arbeider hardest ved letting og landing. Da er lufthastigheten liten, men det kreves maksimalt løft. Løftet ved lave hastigheter kan økes ved for eksempel å senke flapsene bak på vingene, noe som øker vingens krumning og gir mer løft. Flaps som strekkes ut og senkes øker både areal og krumning. Lameller i vingeforkantene kan forsinke steiling. Med løft kommer luftmotstand - på grunn av tverra real, friksjon mot flykroppen og løften selv. For å minimalisere drivstoff-forbruket prøver man å maksimalisere løft og minimalisere luftmotstand. En måte er å rette ut vingene. For å produsere samme løft som en rett ving, må en skråving være større. Alternativt kan den samme effekten oppnås ved hjelp av forskjellige innretninger som forbedrer løftet. Som eksempler på slike innretninger kan nevnes flaps og lameller.

Slik kontrolleres et fly

Det aerodynamiske prinsipp

Lengdeakse

Balanseror

► Pilene viser den relative bevegelsen av luften som vingen, her sett i tverrsnitt, beveger seg gjennom. Varia­ sjoner i krumningen av øvre og nedre overflate og den økte angrepsvinkel gir sammen fart og ulikheter i trykk på over- og undersiden av vingen.

Styrestikke _!»

Vingeseksjon

Angrepsvinkel

'

Vingeforkant Vingebakkant

Vertikal tverrakse Høyderor _

Horisontal tverrakse

▲ For å kontrollere et lite fly, bruker piloten en styrestikke som kan dras bakover eller skyves fremover for å stige eller falle (ved å dreie flyet rundt den horisontale tverraksen) eller vris som et ratt for å krenge til venstre eller høyre (rundt lengdeaksen). Sideroret, for kontroll om vertikal tverrakse, styres med pedaler. Bremsing og styring av flyet på bakken skjer på samme måte.

LUFTTRANSPORT

1936 Heinrich Fockes Fa-61 helikopter fløy 1937 Lockheed XC-35 bygd, første fly med trykk-kabin 1937 Verdens nyeste og største luftskip, «Hindenburg», tok fyr i New York, slutten på luftskipenes tid 1939 Første turbojetfly, tyske Heinkel He-178, bygd

1939 VS-300, prototype på det moderne helikopter med en hovedog en mindre halerotor bygd av Igor Sikorsky 1941 Første flyvning av Gloster Meteor, drevet med Whittles jetmotor 1947 Amerikanske Bell XS-1 overskred lydhastigheten med Charles Yeager som pilot

1949 De Haviland Comet, første jetpassasjerfly, tatt i bruk i Storbri­ tannia 1954 Første forsøk med fly som tar av vertikalt 1958 Boeing 707, første amerikan­ ske jetpassasjerfly, tatt i kommer­ siell bruk 1967 Datamaskiner installert i fly for første gang. Automatisk system

for blindlanding ble innført i det britiske passasjerflyet Trident 2 1969 Jomfrutur for det supersoni­ ske passasjerflyet Concorde 1970 Boeing 747 «jumbojet», første bredbuksfly, ble tatt i bruk 1977 Vellykket flyvning av fly drevet med menneskelig muskelkraft, amerikanske Gossamer Condor

95

1979 Historiens første flytur over Den engelske kanal med menne­ skelig muskelkraft ble gjennomført med den amerikanskkonstruerte Gossamer Albatross 1981 Solar Challenger krysset Den engelske kanal, drevet bare av solceller 1981 Superplastiske metalllegeringer i Airbus A310

Sikorsky S76

Bladets opphengningspunkt

Flykontrollstag

Syklisk stikke Førerkabin_

Felles stikke Halerorspedal ____ Pitotrør (fartsmåler)

Halerotorens drivaksel Motor

Passasjerkabin

◄ Denne tegningen viser noen av komponentene i en Sikorsky S76. Doble gassturbinmotorer overfører kraften til hoved- og halerotorene. Et system av stenger og koblinger, en bevegelig svingeplate og differensialmonteringen under hovedrotorhodet kobler pilotens kontrollstikker til vinkelen på rotorbladene og bestemmer slik helikopterets løft- og flymønster.

Helikoptre Et rotorblad på et helikopter opererer etter samme prinsipp som en flyvinge, bortsett fra at rotoren, fordi den roterer, også kan produsere løft når heli­ kopteret er i ro, noe som gjør at det kan ta av og lande verikalt. For å øke løftekraften rotoren genererer, kan bladet vris og øke angrepsvinkelen. For å stige eller synke når det svever i ro, endres vinkelen på alle bladene samtidig. Skal helikopteret fly bakover, forover eller sidelengs, må rotoren, og med den kraften, vippes i den retningen det skal flys. Det gjøres ved syklisk å endre vinkelen på hvert blad mens det roterer. I et helikopter med bare én hovedrotor, motvirkes skrogets tendens til å rotere i motsatt retning, av en halerotor. For å fly helikopteret har piloten et håndbrekklignende håndtak som brukes for å stige eller synke, en styrestikke for kontroll rundt lengde- og horison­ tale tverrakse og rorpedaler som kontrollerer halerotoren for manøvrer rundt vertikale tverrakse. Halerotoren tjener dermed to formål: Stabiliserer og styrer helikopteret. 4 Helikopteret er et uvurderlig hjelpemiddel der det er viktig med fine og nøyaktig kontrollerte manøvrer. Det kan fint lande på og lette fra et skipsdekk, og brukes mye både av sivile selskaper (Norsk Luftambulanse), forsvar, og av oljeselskaper.

96 Jetmotoren har revolusjonert passasjerflykonstruksjon etter krigen

Faktorer som har påvirket flyets utvikling Sivil og militær flyteknologi er på mange måter uløselig knyttet til hverandre. Utviklinger innen den ene sektoren fører uunngåelig til fremskitt i den andre. Vanligvis er det den militære sektoren som fører an, men ikke alltid. Noen av tidens viktigste passasjerfly kan takke militære kontrak­ ter for det store antall de ble bygd i, kanskje til og med også for sin eksistens. Douglas DC-3 var opprinnelig tenkt som et passasjer­ fly, men 90 prosent av de 13 000 som ble bygd, ble kjøpt til militæ­ re formål. Til gjengjeld spilte alle de tiloversblevne DC-3ene som ble frigitt til sivil bruk etter krigen, en viktig rolle i oppbyggingen av sivil lufttransport. Konstruksjonene av passasjerfly ble sterkt påvirket og forandret av to oppfinnelser som ble stimulert av den andre verdenskrig og de militære behov for hurtigere fly - jetmotoren og den tilbakestrøkne vingen. Den andre verdenskrig hadde en annen viktig betydning for luft­ trafikken. Behovet for å fly bombefly over Atlanterhavet til Europa førte til fremskritt innen kommunikasjon, navigasjon og værvars­ ling, som etter krigen gjorde det mulig for landfly å dekke ruter man tidligere hadde antatt det ville trenges sjøfly til. Dette, sam­ men med utviklingen av langtrekkende fly under krigen, bidro til den raske veksten i sivil luftfart etter krigen. Det er mange eksempler på militære program som har påvirket konstruksjonen av sivile fly. Boeing 707, kanskje etterkrigstidens mest innflytelsesrike passasjerfly, kan takke sin eksistens for det amerikanske luftforsvarets behov for et tankfly som kunne brukes til å etterfylle B-52-bombefly i luften. Boeing 747, det første bredbuks passasjerflyet og fortsatt verdens største, hadde sitt utspring i en konkurranse om å konstruere et stort lastefly for det amerikan­ ske luftforsvaret. Boeing tapte for Lockheeds C-5, men turboviftemotorene de utviklet ble med hell brukt på 747. I drivstoffkrisen i 1970-årene ble «den store viften» redningen for passasjerflyindustrien. I den stadige kampen mot støy og for redusert drivstoffforbruk, er denne viften fabrikantenes viktigste våpen. Eksempler på at sivile konstruksjoner går foran militære finnes det færre av. Utviklingen av det britisk-franske overlydspassasjerflyet Concorde kom på et kritisk tidspunkt da alle Storbritannias utviklingsprogammer for supersoniske kampfly var stoppet. Først nå har man sett hvor viktig dette var til å holde i gang den teknolo­ giske utvikling, noe som har vært utnyttet i byggingen av det euro­ peiske kampflyet Tornado. ◄ Etter en uavhengig utvikling av jetmotoren i England og Tyskland i årene før den andre verdenskrig, gjorde 27. august 1939 det tyske Heinkel He-178 verdens første flyvning med jetfremdrift. Turbojetmotoren He S-3b, utviklet fra denne modellen, var konstruert av Hans von Ohain. Den britiske motoren til Frank Whittle kom i luften senere, men ble, takket være utveksling av teknologi mellom de allierte etter krigen, prototypen på motorene i verdens første jetpassasjerfly. ► Produksjon av moderne turboviftemotor. Slike motorer brukes gjerne i større fly, som store passasjerfly og forskjelli­ ge typer store transportfly, blant annet til militære formål.

Historien om Boeing 707 Ikke i noe eksempel er symbiosen mellom sivil og militær flyteknologi klarere enn i historien bak Boeing 707, det amerikanske passasjerflyet som mer enn noe annet har bidratt til utbredelsen av passasjertrafikk i luften. Den nå så kjente konstruksjonen med tilbakestrøkne vinger og jetmotorer ble utviklet tidlig i 1950-årene. 707en startet som modell 367, en forbedret, jetdrevet utgave av Boeings C/KC-97 tankfly for drivstoff-fylling i luften for det amerikan­ ske luftforsvaret. Men sistnevnte hadde ikke nok midler, så Boeing tok i 1952 det dristige skritt å bruke 16 millioner dollar av egne penger på å bygge en prototyp på en passasjerflyutgave som fabrikken ga navnet «Dash 80». Dette fløy i juli 1954, 5 år etter verdens første jetpassasjerfly, «Comet». Senere samme år ombestemte luftforsvaret i USA seg og kjøpte de første få av de senere over 800 C/CK-135 tank/ transportfly basert på «Dash 80». 11955 fikk så Boeing tillatelse fra luftforsvaret til å selge en passasjerutgave, modell 707. Dette første amerikanske jetpassasjerflyet ble tatt i bruk i 1958.

LUFTTRANSPORT

▲ ▲ Det samme flyet sett i to utgaver - som et Boeing 707 passasjerfly (over) og et KC135 tankfly (midten). Etterfylling av drivstoff i luften gjør at fly med middels rekkevidde, som denne F-111, kan operere langt fra basene sine. Tankfly kan også benyttes til å etterfylle drivstoff på ulike typer helikoptere.

► Panavia Tornado er en av den siste generasjons kombinerte kamp- og bombefly. Dets variable vinger føres bakover for å minske luftmotstanden ved overlydshastigheter, men føres fremover i en mer tverrgående stilling for å få maksimalt løft når det skal ta av fra en rullebane eller lande.

97

98 A320 er verdens første heldigitale passasjerfly med «fly-by-wire»-system

▲ En Douglas DC-3 «Dakota». Mange er ennå i bruk etter 50 års drift

Passasjerflyenes tidsalder Boeings modell 247, som ble satt inn i passasjertrafikk i 1933, er allment akseptert som forløperen for de moderne passasjerflyene. Flyet, som hadde plass til ti passasjerer og en hastighet på 240 km/t, var en forløper for fly helt laget av metall og med den kjente, lave vingeplasseringen, som begge er typiske trekk for dagens store passasjerfly. Denne konstruksjonen ble med stort hell brukt på Douglas' 21-seters DC-3, som først fløy i 1935. Da dette gikk ut av produksjon i 1946, var det bygd rundt 13 000 eksemplarer av det i Japan, Sovjetunionen og USA. Selv i dag, over 50 år etter at det ble tatt i bruk, benyttes DC-3 enkelte steder i verden. Det inntar derfor en enestående plass i flyhistorien. Selv om fly som Boeings modell 247 og Douglas DC-3 bidro til å fremme flyreiser i USA, var de ikke egnet til å krysse Atlanter­ havet. I 1920-årene mente man luftskipene ville ta seg av dette, noe Hindenburg-infernoet i 1937 brakte en rask slutt på. Deres rolle ble overtatt av flybåter, men deres æra endte like brått som den hadde startet, da den andre verdenskrig brøt ut i 1939. I 1945 ble det store overskuddet av militære langdistansefly, som det etter krigen ikke lenger var behov for, tatt i bruk til passasjertrafikk med nonstop-flyvninger over Atlanterhavet. Luftpassasjertrafikkens tidsalder var begynt. Før krigen var det bare høyere embedsmenn og andre priviligerte privatpersoner som reiste med fly, men det store antall servicepersonell som nå fantes og hadde erfaring fra lufttransport under kri­ gen, stimulerte til en betydelig utvidelse av lufttrafikkindustrien. Denne utbredelsen falt sammen med innføringen av raske, komfor­ table jetpassasjerfly. Det første var de Havilland «Comet», men det mest vellykkete var Boeing 707. Med begge ble det med noen ukers mellomrom åpnet nonstop-ruter over Atlanterhavet i 1958. Et tiår senere fløy for første gang to andre - svært forskjellige, men meget innflytelsesrike - fly for første gang, det supersoniske Concorde og bredbuksflyet Boeing 747. Concorde ble aldri noen økonomisk suksess, og er i dag det eneste supersoniske passasjerfly i drift. Boeing 747 har derimot hatt en fantastisk suksess - nesten 700 fly av denne typen er blitt solgt. Med et passasjerantall på nesten 400 har det i stor grad bidratt til de lave prisene på flyvninger mellom Europa og Nord-Amerika.

Flystyrt som kan overleves I august 1985 styrtet en Boeing 747 fra Japan Airlines i en fjellside etter at en del av halen falt av mens de var i luften. Med 520 døde var den verdens til da verste flyulykke. Likevel var det mirakuløst nok fire som overlevde. Teknologiske fremskritt har forbedret flyenes effektivitet og økonomi, men forsatt skjer styrt, feil og sabotasjehandlinger. Etter hvert som det blir mer vanlig å fly, står flere liv i fare for å gå tapt. Det er en rekke tiltak som kan bedre sikkerheten, hvorav noen allerede er gjennom­ ført av mange flyselskaper, som kan føre til flere overlevende etter ulykker som ellers ville vært død­ bringende. Det er selve flykroppen som tar imot den første delen av støtet, og de nye bredbuksflyene er her de sikreste. Risikoen for eksplosjoner, som har tatt livet av så mange som har overlevd selve styrten, kan reduseres ved mindre brennbare drivstoffer parafin istedenfor bensin - eller kjemiske tilsetningsstoffer. Inni flyet kan spredning av en brann vanske­ liggjøres ved brannsikre setetrekk. Passasjerene kunne beskyttes av røykhetter og føres til utgangene av nødlys, særlig om de var plassert nær gulvet med piler i riktig retning. Dører som er lette å åpne og nok nødutganger er en selvfølgelighet. Dessverre finnes det mange eksempler på at mennesker har overlevd en flyulykke, men bare for etterpå å omkomme av røykforgiftning fordi de ikke har greid å komme seg ut av flyet tidsnok. Selv måten du sitter på kan berge livet ditt: Det tryggeste er å bøye hodet mellom benene og holde armene over det. Seter som vender bakover, slik det er gjort I mange militære fly, øker også sjansene for å overleve dersom ulykken skulle være ute. Der alt dette sikkerhetsutstyret finnes, må det gis informasjon til passasjerene om hvordan det skal brukes. Flypersonalet må regelmessig gjennomføre øvelser i bruk av utstyret og de prosedyrene som skal utføres under og etter en ulykke. En uheldig praksis, som å tillate bagasje å stå i midtgangen og blokkere rømningsveier, og uvitenhet om nærmeste nødutgang, krever unødvendig liv.

▲ Et helikopter flyr over restene som er igjen etter Boeing 747flyet fra Japan Airlines som styrtet mot fjellet Sangoku, omtrent 80 km nordvest for Tokyo, 12. august 1985. De større bredbuks­ flyene som er mer motstandsdyktige mot styrt, kan vanligvis beskytte passasjerene sine bedre under en styrt enn et vanlig passasjerfly kan. Fire passasjerer overlevde utrolig nok denne styrten mot Sangoku-fjellet.

LUFTTRANSPORT

99

V

Elektronisk flykontrollsystem (EFCS - Electronic Flight Control System) SEC Tre datamaskiner som styrer bremseklaffer og høyderor, kontroll om lengde- og horisontale tverrakse

ELAC To datamaskiner som styrer balanse- og høyderor, kontroll om de to tverraksene

FAC To datamaskiner støtter mekanisk bruk av sideror, ■ kontroll om vertikale tverrakse

Sideror

Høyderor

▲ EFCS kontrollerer A320s flyretning og stilling. Både flyruten, navigasjons- og motordata overvåkes av flyveren som bruker en styrestikke for å gi kommandoer til EFCS. Flyveren har hele tiden full kontroll og kan når som helst overta for autopiloten ved flykontrollenheten.

Sidestikke Hovedskjerm Navigasjonsdata Motoralarm og systemdata Flykontrollenhet

A320 og «fly-by-wire» A320 er det siste produktet fra den vellykkete, europeiske Airbus-fabrikken, og er typisk for 1980årenes passasjerflykonstruksjon. Med plass til 150 passasjerer har det en nokså konvensjonell form med tilbakestrøkne vinger og turboviftemotorer, men har også mange nye konstruksjonsdetaljer. Først og fremst erA320 det første passasjerfly med «fly-by-wire»-system. Pilotene har små styrestikker der de vanlige mekaniske koblingene til styreflatene er erstattet med elektriske signaler. En datamaskin tolker pilotens kommandoer og utfører dem ut fra et godt kjennskap om hvordan flyet vil reagere. Dette gjør det nesten umulig for piloten å gi kommandoer som vil kunne overbelaste flyet. En datamaskin tar seg også av all navigasjon, fra flyet letter til det lander, mens det langt bedre enn en menneskelig pilot følger den mest økonomiske ruten. Både flyveren og annenflyveren holder øye med fargeskjermer som erstatter mange av de vanlige flyinstrumentene, mens andre datamaskiner overvåker motorene og andre systemer.

Kontroll om lengdeakse

---------- Bremseklaffer

Belastningsfordeler Fartsbrems

◄ To datamaskinsystemer sender kommandoer til de aerodynamiske flatene, som drives med et hydraulisk system. Det er to datamaski­ ner for høyderor/balanseror (ELAC) og tre datamaskiner for bremseklaffer/høyderor (SEC). Manuell kontroll av sideror støttes av to data­ maskiner (FAC).

Balanseror

Vingeforkant

100

▼ Årsaken til suksessen for

«Gossamer Albatross» var lav vekt og høy stabilitet. Piloten drev flyet, som var bygd av lett plast og hadde et vingespenn på 29 m, fremover ved bruk av pedaler, men uten å anstrenge seg så mye. Senere er det bygd flere fly basert på bruk av muskelkraft.

▲ Rutans «Voyager» ble konstruert for å kunne fly verden rundt nonstop uten etterfylling av drivstoff. Richard Rutan og Jeana Yeager brukte i desember 1986 9 døgn på å bli de første som fløy rundt hele Jorden uten mellomlan­ ding. Flyvningen startet og sluttet i California.

Alternative flytyper Den andre verdenskrig markerte slutten på den tiden der mindre fly var forbeholdt de rike. De økte prisene på drivstoff og fly har imidlertid ført til en tilbakegang innen denne industrien de siste årene. Mange har sett på ny teknologi som den eneste veien ut av dette - ikke den avanserte teknologien i de store passasjerflyene - men den «alternative» teknologien med flytyper som er lette, billi­ ge å bygge og enkle å fly. Lettest og billigst er det såkalte mikroflyet, som stort sett bare er en hengeglider med motor på. For å øke sikkerhet og ytelse utvikles nå mikroflyet videre til et ekte minifly med et lett plastskrog. Faktisk er plastkonstruksjoner grunnlaget for den fornyete interessen for alle slags privatfly. I USA er det vel de nye idéene fra flykonstruktøren Burt Rutan til hjemmelagete fly med høy ytel­ se og lav pris, som har fått størst oppmerksomhet. Rutan har gått inn for en konstruksjon med «halen» foran, som den Wright-brødre­ ne benyttet. Resultatet er et fly som vanskelig kan steile og derfor er trygt til fritidsbruk for amatørpiloten. Bruken av armert plast istedenfor metall har gitt en betydelig kostnadsreduksjon i byggin­ gen av små privatfly. Hva med muskeldrevne fly? Den engelske kanal ble i 1979 besei­ ret av Gossamer Albatross, konstruert av Paul McCready. En annen konstruksjon fra samme hånd ble det første fly som fløy drevet av solenergi. Også her la plastmaterialer grunnlaget for suksessen. Likevel er disse muskeldrevne flyene såpass tungdrevne at det vir­ ker usannsynlig at de noen gang vil få noen stor utbredelse. Det vil neppe heller fly med elektriske motorer som får sin energi fra solceller.

Romtransport Romfergeprogrammet... PERSPEKTIV... Romfartens historie... Kronologi... En typisk romfergeoppskytning... Inni romfergen... Romdrakter... Miljøkontrollsystemer

Da den amerikanske romorganisasjonen National Aeronautics and Space Administration (NASA) i slutten av 1960-årene skjøt opp de gigantiske Saturn-bærerakettene som sendte Apollo-romfartøyene til Månen, var kostnadene enorme fordi hver rakett bare ble brukt én gang. For å gjøre romferdene billigere, var det nødvendig å utvikle et system med gjenbrukbare komponenter. Mens Apolloprogrammet ennå pågikk, begynte forskere og ingeniører i USA å utvikle et romfartøy med vinger, som kunne sendes opp i rom­ met, vende tilbake og lande som et fly. Romfergen ble første gang brukt i 1977 da en modell av den uten motorer ble brukt til slipp-prøver fra en Boeing 747. Fem gan­ ger ble den sluppet til en glidelanding på en rullebane, og beviste dermed at den kunne lande trygt. Første oppskytning skjedde med Columbia 12. april 1981. I 1985 var man kommet opp i ni ferder årlig og hadde blant annet hatt med seg opp det europeiskbygde romlaboratoriet Spacelab med både amerikanske og europeiske astronauter, samt at mange satellitter var blitt utplassert, et par reparert i rommet og et par tatt med ned til Jorden. Under den 25. romfergeoppskytningen 28. januar 1986 oppstod en lekkasje i en av faststoffmotorene som nærmest fikk hele romfergekombinasjonen til å eksplodere 73 sekunder etter start. Tragedien førte til at romfergeprogrammet inntil videre ble stoppet mens man lette etter årsaken og foretok de nødvendige modifikasjoner for å hindre en gjentakelse. Likevel vil romfergen bli en viktig arbeidshest for USA utover i 1990-årene og få mange oppdrag i rommet.

Tidlige romferder Kineserne brukte alt for over tusen år siden kruttraketter i slag. Likevel varte det helt til 1926 før en rakett med flytende drivstoff ble bygd og skutt opp, noe amerikaneren Robert Hutchings Goddard da gjorde fra Auburn i Massachussetts. Vel 10 år senere konstruerte tyskeren Wernher von Braun (1912-1977) det første rakettvåpen, V-2. Det ble brukt til å sende bomber mot London i 1944 og 1945 og viste tydelig at rakettens tid var kommet. Med Sergej Pavlovitsj Koroljovs (1906-1966) store konstruksjonsinnsats i Sovjetunionen, kunne landet i 1957 skyte opp historiens første satellitt, Sputnik 1. I april 1961 fikk landet æren av å skyte opp historiens første menneske i rommet, Jurij Aleksejevitsj Gagarin (1934-1968). I løpet av 20 år foretok astronauter og kosmonau­ ter en rekke ferder rundt Jorden i trange romfartøyer. Noen tilbrakte nesten to uker i rommet for å studere vektløshetens virkning på kroppen, noen øvde på sammenkobling av romfartøyer og noen «spaserte» i rommet festet til romfartøyet med en kabel. En utvalgt gruppe på 12 amerikanske astro­ nauter fikk gå omkring på Månen, etter å ha blitt skutt opp fra Jorden i kjemperaketter 100 ganger kraftigere enn tyskernes V-2. Noen fikk også lange opphold i romstasjoner. I juni 1969 landet de to ame­ rikanerne Neil Armstrong og Edwin Aldrin på Månen.

▲ Den 28. januar 1986 ble romfergen Challenger ødelagt i en tragisk ulykke der alle de syv astronautene om bord mistet livet. Årsaken var en lekkasje i den ene faststoffmotoren som brant hull i den utvendige tanken slik at hele tanken nærmest eksploderte. Dette skjedde i 14,5 km høyde, bare 73 sekunder etter at Challenger hadde forlatt oppskytningsplattformen ved Kennedy Space Center. -4 I årene etter den første vellykkete oppskytningen av en væskerakett i 1926, utførte Robert Goddard (her nummer to fra høyre) en rekke bane­ brytende eksperimenter. Målet var å utvikle en rakett som kunne bringe nyttelaster ut i rommet.

102 Kronologi 1926 Første oppskytning av rakett med flytende drivstoff bygd av Robert Goddard, kalt «den ameri­ kanske rakettvitenskapens far» 1942 Første vellykkete opp­ skytning av A-4-raketten bygd av Wernher von Brauns gruppe i Peenemunde i Tyskland, nådde opp til 85 km 1944-5 4320 V-2 rakettvåpen med

bomber sendt mot britiske mål av tyskerne 1947 Bakke-til-bakke-raketten Corporal E ble den første raketten med radarsystem kontrollert fra bakken 1957 Sovjetunionen skjøt opp historiens første satellitt, Sputnik 1 1958 USAs Explorer 1 oppdaget strålingsbeltene rundt Jorden

Romfergens dimensjoner Romfergen bruker en kombinasjon av faststoff- og væskemotorer. Bak sitter de tre hovedmotorene som bruker flytende drivstoff og yter en samlet skyvkraft på over 5 millioner newton. Fra den utvendige tanken tilføres de en blanding av flytende hydrogen og oksygen. Hver av de to faststoffmotorene leverer en skyvkraft på 11,8 millioner newton. Eksosgassene fra dem har en temperatur på rundt 3100° C. De kobles fra vel 2 minutter etter start, mens de tre hovedmotorene fortsetter å brenne i enda vel 6 minutter. Like etter går romfergen inn i bane ved hjelp av to mindre motorer bak. Typisk banehøyde er 200-400 km. Den utvendige tanken kobles fra etter vel 8 minutter, faller ned I atmosfæren og brenner opp, mens de to faststoffmotorene lander i fallskjermer til havs og brukes på nytt senere. Når romfergen skal ned, avfyres små raketter som sender den inn i atmosfæren. På utsiden har den rundt 30 000 varmeisolerende klosser for å beskytte aluminiumsstrukturen under mot varmen som utvikles når den bremses ned av friksjonen i atmosfæren. Åtte personer kan tas med i bane og være der i rundt 10 døgn.

1959 Den sovjetiske romsonden Luna 2 ble første gjenstand som nådde Månen og styrtet der 1961 Den sovjetiske kosmonauten Jurij Gagarin ble det første menneske i rommet, ett omløp rundt Jorden 1961 Amerikaneren Alan Shepard ble skutt ut på en 185 km lang ballistisk ferd i en Mercury-kapsel

1962 Første fjernsynsbilder fra en bemannet romferd ble sendt fra Andrian Nikolajev i Vostok 3 1962 John Glenn ble den første amerikaner i jordbane med tre omløp i en Mercury-kapsel 1963 Sovjetunionens Valentina Teresjkova ble historiens første kvinne i rommet 1965 Sovjetiske Aleksei Leonov

ble første menneske som var utenfor et romfartøy i rommet 1965 Første amerikanske mannskap som manøvrerte fra en bane til en annen i romfartøyet Gemini 3 1966 Amerikanske Gemini 8 foretok første sammenkobling mellom et bemannet og et ubemannet romfartøy

Romfergesystemet Romfergens ferdprofil 1 Start 2 Hoved- og faststoffmotorer brenner 3 Faststoffmotorene kobles fra 4 Hovedmotorene fortsetter å brenne 5 Hovedmotorene stoppes 6 Utvendige tank kobles fra 7 Banemanøvreringsmotorene sender romfergen inn i bane 8 Bremsemotor brenner for å starte tilbakevending 9 Kommunikasjonsavbrudd på grunn av oppvarming 10 Stilling justert for tilbakeven­ ding 11 Kommunikasjon gjenopprettes 12 S-svinger foretas 13 Landingsfase 14 Innsikting mot rullebane 15 Hjulene foldes ut 16 Hjulene tar bakken

Faste radiatorpaneler

Sideror/luftbrems Banemanøvreringsmotor (OMS)

Brensel til stillingskontroll (RCS) Brensel OMS -------------------------

Oksidasjonsmiddel RCS Oksidasjonsmiddel OMS

Hovedmotorene Flaps----------------------------------------------------------------------------------------Små RCS-motorer (6)

Store RCS-motorer (38)------------------------Festepunktertil oppskytningsplattform (4)

Separasjonsmotorer------------------------------

◄ Romfergen tar av med en total skyvkraft på rundt 29 millioner newton. Selv om romfergesystemets masse er langt mindre enn for Saturn Vrakettene, har den nesten like stor skyvkraft i starten.

ROMTRANSPORT

1966 Sovjetiske Luna 9 sendte de første bildene via fjernsyn fra måneoverflaten etter å ha foretatt en vellykket myklanding 1967 USAs Saturn V-bærerakett skutt opp for første gang 1967 Sovjetiske Venera 4 myklandet på Venus 1968 USAs Apollo 8 foretok første bemannete ferd inn i månebane og

tilbake igjen 1969 Sovjetiske Sojus 4 og 5 foretok første sammenkobling mellom to bemannete romfartøyer 1969 USAs astronauter Neil Armstrong og Edwin Aldrin ble de første menneskene på Månen på Apollo 11 -ferden 1971 Sovjetunionens Saljut 1 ble historiens første romstasjon i bane

1972 USAs Pioneer 10 skutt opp, første romsonde som passerte forbi Jupiter og første kunstige legeme som forlot Solsystemet 1973 USAs store romstasjon Skylab skutt opp 1975 Et Apollo-romfartøy fra USA kobles til et sovjetisk Sojusromfartøy 1976 USAs romsonde Viking 1

med første myklanding på Mars 1977 Den amerikanske romfergen Enterprise gjør de første glideferdene fra Boeing 747 1977 USAs Voyager 1 og 2 skytes opp mot ytre planeter, Voyager 2 ble senere første sonde med nærpasseringer av Uranus og Neptun 1979 Første oppskytning av Ariane, bærerakett bygd av

103

europeisk romorganisasjon 1981 Første oppskytning av den amerikanske romfergen Columbia 1981 Columbia gjorde i november sin annen ferd, ble første romfartøy som brukes for andre gang til en bemannet romferd 1986 En eksplosjon ødela USAs romferge Challenger, alle de syv astronautene omkom

ZZZZZZZZZZZZZZZZZZ

Manipulatorarm Utfellbare radiatorpaneler

Sylindre med mindre eksperimenter

Ventilasjonsventil for oksygen---------Antiskvulperibber________________

Oksygentank____________________

Fremre stillingskontrollmotorer (RCS)

Fast drivstoff----------

Hovedfallskjermer-------------------Separasjonsmotorer_________ Hjelpefallskjerm----------------------Utvendig tank -------------------------

Soveposer Hydrogentank

Flydekk Faststoffmotorer

Landingshjul

Beskyttelsesdeksel for satellitter Balanse- og høyderor

▲ Romfergens ferdprofil. Den skytes opp med to faststgffmotorer og sine egne motorer. Mot slutten føres den inn i atmosfæren ved bruk av brem semotorer, og glir så gjennom atmosfæren til landing på bakken.

104

Miljøkontrollsystemer Fordi rommet er et vakuum, må romfarere ta med seg en omgivelse der de kan leve og puste. Det betyr minst 0,24 atmosfærer med rent oksygen, eller bedre: En blanding av nitrogen og oksygen ved 1 atmosfære, en temperatur på 17-25°C, fuktighet mellom 10 prosent og 50 prosent og et svært lavt nivå av potensielt giftige gasser som karbondioksid og stoffer som naturlig utskilles fra kroppen. USAs første bemannete romfartøyer (Mercury og Gemini) hadde oksygenforsyning, filtre for å fjerne utåndet karbondioksid og (Gemini) en resirkulert forsyning av destillert vann fra kjølesystemet. Vann ble laget som et biprodukt av brenselcellene der hydrogen og oksygen ble ført sammen over en katalysator for å gi elektrisk energi. Systemet ble også brukt i Apollo, og finnes også i romfergen, som er første amerikan­ ske romfartøy med en atmosfære av oksygen og nitrogen. Alle disse systemene er «åpne» ved at de bruker av begrensete oksygen- og nitrogenforsyninger i tanker. I sovjetiske romfartøy har «lukkete» systemer vært prøvd. De tyder på at i et permanent system av nitrogen og oksygen med vann som biprodukt, kan atmosfæriske gasser produseres i store nok mengder til å holde mennesker i live. Bare med et slikt system, som er en slags kunstig biosfære, kan virkelig lange romferder foretas. Fordi menneskehjertet svekkes av lange perioder i vektløshet, kan dette begrense vektløse opphold til noen måneders varighet. Av den grunn er det svært viktig at romfarere på lengre ferder driver mye fysisk aktivitet, i Mir-romstasjonen 2-3 timer per døgn. Dessuten mister beinstrukturen konstant kalsium og svekkes. Selv om kroppen på mange måter svekkes av et opphold i vektløshet under en romferd, har den hittil vist seg å ta seg opp igjen etter å være kommet tilbake til Jorden. Hvorvidt dette gjelder på flere år lange ferder, gjenstår å finne ut. Det har vært foreslått å lage kunstig gravi­ tasjon ved hjelp av rotasjon, noe som kan bli nødvendig på bemannete ferder over flere år. Romdrakten Når en astronaut skal utenfor et romfartøy, for eksempel på måneoverflaten eller i romfergens las terom, må vedkommende ta med seg sin egen omgivelse. Det stilles en rekke strenge krav til en god romdrakt. Den må beskytte romfareren mot den ufiltrerte varmen fra Solen og frakte bort kroppsvarme ved et sirkulasjonssystem av bøyelige vannrør. Romdrakten må være helt lufttett og robust nok til å beskytte mot små mikrometeoroider. Samtidig må drakten være fleksibel å bevege seg i slik at den ikke hindrer astronauten for mye. ► En romdrakt er mer enn bare en beskyttelse som skal brukes utenfor romfartøyer i rommet En moderne romdrakt er et komplett lite miljøkontrollsystem som består av en rekke forskjel­ lige lag. Utenpå det lange undertøyet med kjølerør kommer en trykkdrakt dekket av kloroprengummi og med fleksible ledd, så et lag som skal verne mot stråling og mikrometeoroider, og til slutt to lag av ikke-brennbart, meget slitesterk teflonstoff. Hjelmen inneholder tre beskyttende visirer og støvlene er laget av et robust komposittmateriale. Ved hjelp av en rekke rør er romdraktene koblet til en forsyning av oksygen, kjolevæske og et eget luftfuktesystem. Denne romdrakten brukes når amerikan­ ske astronauter skal arbeide i rommet utenfor romfergen.

Utvinning av råstoffer Gruvedriftens opprinnelse... Utvinning av kull under bakken... Oljeboring... Gruvedrift uten gruvearbeidere... PERSPEKTIV... Mekanisering av gruvedrift... Utvinning av råstoffer under vann... Dagbrudd

Gruvedrift, den prosessen som benyttes for å hente ut nyttige mate­ rialer fra under jordoverflaten, er en av menneskenes eldste aktivi­ teter. Allerede i forhistorisk tid ble mange edle metaller utvunnet ved vasking og flintstein brutt ved bruk av primitive verktøy som stykker av dyrehorn. Ved gruvedrift utvinner vi ikke bare slike edle materialer som gull, sølv, diamanter og opaler, men mange viktige malmer og kje­ mikalier som svovel, natriumkarbonat (soda) og fosforitt. Gruve­ drift forsyner oss også med byggematerialer og fossilt brensel. Gruvedrift utnytter ikke-fornybare ressurser. I løpet av århundre­ ne er de rikeste forekomstene i stor grad blitt tømt. I leting etter nye mineralkilder utnyttes nå i stor utstrekning en rekke avanserte geofysiske og geokjemiske teknikker. Også ekspertsystemer utvik­ les for å kunne si fra om mulige verdifulle mineralforekomster. Når en potensielt utnyttbar forekomst er blitt funnet, må den un­ dersøkes meget nøye for å avgjøre om den er økonomisk drivver­ dig. Først på dette stadium, når forsøksboringer gjøres, kan man si at utvinningen starter. I tillegg til den vanlige gruven som ligger under bakken, skjer gruvedrift på flere andre måter. Dagbrudd brukes mye for å utvinne enkelte mineraltyper og kull. Utvinning av mineraler foregår nå for det meste over bakken, mens bly, antimon, wolfram, molybden og edle metaller er de viktigste stoffene som ennå hentes ut fra underjordiske gruver. Utvinning ved hjelp av løsninger, der salter oppløst i vann pum­ pes inn i mineralavleiringer, er en viktig kilde til kjemikalier. Bioteknologer eksperimenterer med utvasking ved hjelp av mikrober for å vinne ut verdifulle grunnstoffer fra fattig malm som tidligere ikke kunne nyttes. Mekanisering og moderne gruvedrift Den viktigste endringen i gruvedriftsteknikk etter 1945 har vært den økte mekaniseringen. I gruvedrift under bakken har dette skjedd ved innføring av nye, store maskiner. Det samme har skjedd i dagbrudd der det nå brukes svært store maskiner til å flytte masse. Av den grunn er dagbrudd, som er forholds­ vis sjeldne i Europa, nå blant de mest produktive gruvene i verden. Mange steder setter imidlertid den lokale geologi en grense for hvor mye man kan mekanisere. Tilpas­ ningsdyktigheten til menneskelig arbeidskraft gjør den ofte mer verdifull enn en maskin når man skal utnytte en forekomst som ligger kronglete til. Nylig har man prøvd å lage utstyr for slike tilfeller. En ne­ derlandsk maskin kan utnytte 60-160 cm tykke kullårer og automatisk følge årens form ved hjelp av instrumenter som måler den naturlige radioaktivite­ ten og sammenligner denne med den for de omgivende bergartene.

▲ En illustrasjon fra tyskeren Georg Agricolas (1494-1555) avhandling om gruvedrift fra 1556 viser sjakter, tunneler og hånddrevne vinsjer som trekker mineralene opp til overflaten.

▼ Tradisjonell gullvasking ved hjelp av kar og panner i den nordvestre delen av Pakistan. Gull kan finnes i sekundære leier (blandet med grus) og kan skilles fra grus og stein ved vasking og siling.

106 En eksplosiv ladning på 5-7 kg er nok til å knuse 50 tonn kull

Underjordisk gruvedrift De første materialene som ble utvunnet, kom fra malm som natur­ lig lå oppe i dagen. Disse steg opp der foldinger av jordoverflaten førte til at malmforekomster ble begravd på skrå, som for eksempel i en fjellside. Når overflaten senere eroderte, kom forekomsten opp i dagen. Under utvinningen av slike forekomster fjernes først det øverste materialet før man går dypere ned i bakken. Slik dannes en «stollgruve». Til tross for deres historiske opprinnelse, kan slike gruver bli åpnet også i vår tid. De enorme kullforekomstene som ble opp­ daget i Selby i England tidlig i 1980-årene, vil delvis bli utvunnet ved stolldrift. Den tradisjonelle forestillingen man har av en gruve, er av en vertikal sjakt som graves nedover i bakken til den treffer på et begravd malmleie. Horisontale gruveganger graves så inn i fore­ komsten og materiale som er av interesse tas opp til overflaten gjennom sjakten. Moderne gruver har flere sjakter, som alle er foret med materialer som for eksempel stål for å holde dem mer stabile. Jo dypere en forekomst ligger, jo større er vekten av det overlig­ gende laget av gråberg eller andre materialer, mellom forekomsten og overflaten. Derfor blir gruvedrift vanskeligere og farligere jo len­ ger ned man kommer. I den tradisjonelle metoden for underjordisk gruvedrift graves det ut rom i forekomsten, mens man lar det stå igjen takstøtter av materialet. Antallet og plasseringen av disse støttene avhenger av geologien på stedet. Til å begynne med ble materialet som skulle fjernes, brutt for hånd, men senere ble sprengstoff tatt i bruk. Nå­ værende praksis er å bruke maskiner til å skjære inn på undersiden av den seksjonen som skal fjernes. Eksplosive ladninger plasseres så høyere oppe og detoneres. Materialet utvider seg og brytes opp i mindre fragmenter som kan fjernes med transportbånd. En eks­ plosiv ladning på 5-7 kg er nok til å knuse 50 tonn kull. Etter hvert som arbeidet skrider frem og rommene blir større, drives lange stålbolter inn i taket for å styrke det. Når utvinningen i et bestemt område er ferdig, kan man i noen tilfeller også utvinne støttene. Taket faller da sammen mens overflaten synker ned. Etter hvert som dybden øker, blir slik strossedrift mindre og min­ dre egnet. Ved feltortdrift kan dypere leier utnyttes. Med denne teknikken fjernes materialet på langs av åren. I en moderne kull­ gruve er slike ganger ofte 200 m lange, men kan i unntakstilfeller være over 1 km. Store mekaniske kuttmaskiner med stålklør med spisser av silisiumkarbid og diametre på opptil 1 m, graver seg innover i åren. I hver ende av orten er tunneler som gir arbeidere og utstyr adgang til orten og som utvunnet materiale kan hentes ut gjennom. Taket holdes oppe av hydrauliske støtter som flyttes fremover etter hvert som orten åpnes. Området bak støttene synker vanligvis sam­ men nokså raskt. Fordelen med dette er at overflaten synker raske­ re ned og på en mer forutsigbar måte enn med strossedrift. Langs­ gående brytning ble først utviklet i Europa, som generelt har dype­ re kullårer enn Australia og USA. Først i midten av 1970-årene ble teknikken for alvor tatt i bruk i USA, der dens utbredelse nå stadig øker. Underjordisk gruvedrift har alltid vært risikabelt, og med mekaniseringen er det kommet nye faremomenter. Den hurtige skjærringen av fjellet øker støvinnholdet i luften. Under utdriving av kull kan skjæringen frigi metangass. Hvis den antennes i støvfylt luft, kan den få kullstøvet til å eksplodere. Hurtigarbeidende gruveutstyr er i dag utstyrt med metandetektorer, slik at maskinene stopper dersom metannivået når en viss grense.

UTVINNING AV RÅSTOFFER

107

Heistårn

Strossedrift

Heissjakt

Kulltog

Lagerbeholder

_____ Kullheis

Transportbelte for kull

Gruvedrift uten gruvearbeidere Forgassing er en metode for å utnytte kullreserver som ikke kan utvinnes på vanlig måte. Hvis det over kullåren ligger et ugjennomtrengelig berglag, bores to sjakter ned. Luft, av og til anriket med oksygen, pumpes ned den ene sjakten og kullet antennes. Til å begynne med brenner den til karbondioksid, men etter hvert som den passerer over kull som ikke er brent, mot den andre sjakten, reduseres den delvis til karbonmonoksid, en gass som også forekommer i eksosutslipp fra biler. Selv om denne ikke har så stort energiinnhold som kull, kan den i visse deler

En kullgruve består av en rekke komponenter. Sjakter brukes til å frakte arbeidere, utstyr og kull ned i eller opp fra gruven. Blant utstyret som trengs er kuttmaskiner, ulike typer avhengig av om det skal drives brede eller smale orter. Lastemaskiner samler opp kullet og heller det over på et system av transportbelter. Disse frakter kullet til en beholder der det lagres før det tømmes over i en kullheis som trekker det opp til overflaten. Busser, som for det meste er elektrisk drevne, frakter arbeidere og utstyr til og fra stedet der brytningen foregår. Likestrømsgeneratorer nede i gruven leverer strøm til et strømnett og belysning, der lysrør brukes i områder hvor det kan være gass. Ventilasjon for å bringe inn frisk luft, ta ut skadelige gasser og holde nede temperatur og fuktighet, skjer ved å ta inn luft via en sjakt og ut en annen. Ved grøfter og avløp samles vann opp i bunnen av sjakten og pumpes derfra og opp av gruven.

av verden brukes som energikilde. Den var før en betydelig del av husholdningsgass, men brukes nå mindre i hjemmene fordi den er så giftig. Dens gift­ virkning må det også tas hensyn til når man skal velge passende steder til forgassing. Dersom den lekker opp til overflaten i bebodde områder, kan det føre til en miljøkatastrofe. Derfor er teknikken mest anvendbar i dype kullleier, som de vi finner i Europa. Både Belgia, Frankrike, Storbritannia og Vest-Tyskland forsker nå på denne teknikken, der det mest avanserte prosjektet er i Belgia.

108 De største dagbruddene er opptil 1000 meter dype

•< En salve avfyres i kobber­ gruven Chuquicamata i NordChile, et av de største dag­ bruddene i verden.

► Et tog i nitratgruven Valdivia i Nord-Chile som skal frakte bort mineralet for videre bear­ beiding. Slike togsett kan være over 1000 m lange og brukes der store mengder materiale skal fraktes over store avstander. Over kortere avstander er det billigere med store lastebiler, på opptil 350 tonn.

► Det store hullet i Kimberley i Sør-Afrika skyldes at en rekke enkeltgruver sank sammen tidlig i 1870-årene.

▼ En gravemaskin i en spesiell type dagbrudd i Illinois. Til tross for de enorme mengdene masse som her flyttes, gjør denne typen gruvedrift det mulig å dekke over de utvunnete områdene etter at malmen er fjernet.

UTVINNING AV RÅSTOFFER

109

Dagbrudd Verdens største gruver er dagbrudd der mineralavleiringer nær overflaten utvinnes. Som eksempler på dagbrudd kan nevnes noen av de store kobbergru­ vene i Australia, Nord- og Sør-Amerika, samt til dels enorme kullgruver i Nord-Amerika. Verdens største utgravning er forøvrig kobbergruven Bingham Canyon i Utah i USA. I Norge utvinnes blant annet jernmalm i store dagbrudd ved Bana Gruber i Bana og ved Sydvaranger, der sistnevnte er Norges største gruveforetak. I tillegg til kull-, jern- og kobberleier, hentes kjemikalier som fosforitt (som brukes i produksjon av gjødningsstoffer) og bygge­ materialer som sand og grus fra dagbrudd. Åpne sjaktgruver har vanligvis form som en kjegle snudd opp-ned og består av mange avsatser. Kjegletor­ men skyldes at gruveveggene må skråne med en vinkel som gjør dem stabile, slik at materiale ikke løsner og faller ned på neste avsats. Stabiliteten bestemmes ikke bare av bergartens type, men også av hvilken virkning regn og vann har på den. Disse gruvene kan bli nedtil 1 km dype, men utvinningskostnadene øker med dybden. Når laget av jord og andre materialer over fore­ komsten er fjernet, brytes mineralene opp ved boring og sprengning for harde bergarter og ved mekanisk kutting i de mykere. Vanligvis fjernes 515 m dype lag i gangen. Når bergarten eller kullet er løsnet, graves det ut med kraftig utstyr, som gravemaskiner, og fraktes så med lastebiler eller tog. Grabbene på gravema­ skinene kan ta opptil 140 m3 og hver dag kan over en kvart million tonn masse hentes ut fra en slik gruve. Der det er for mye overliggende materiale til en økonomisk utnytting av forekomsten under, kan boredrift nyttes for å få ut mer materiale fra en gruve. Et gigantisk bor brukes da til å få opp materiale fra under det overliggende materialet. Denne driftsformen var litt brukt til kullutvinning i USA i 1950- og 60-årene, men har senere vært mindre brukt av økonomiske grunner. En egen type dagbrudd brukes for grunnere fore­ komster. Et 10-50 m bredt lag av det overliggende materiale fjernes og det underliggende materialet fraktes bort. Når neste stripe av overliggende lag fjernes, brukes den til å dekke den forrige. Denne driftsformen er i de senere år blitt underlagt streng kontroll av miljøvernmyndigheter i utviklete land. Det øverste jordlaget må nå lagres atskilt fra resten og etter utvinningen legges tilbake øverst slik at det gror til igjen.

110 De største oljeboringsplattformene som brukes til havs veier nesten én million tonn

En oljebrønn kan være opptil 8000 m dyp. Borehullet lages med en roterende borekrone som er koblet til overflaten ved 9 m lange segmenter av borerør, som sammen kalles borestrengen. Borekronene slites nokså raskt, så borestrengen må med jevne mellomrom demonteres og monteres igjen. Borehullet som boret graver seg ned i, er fylt med en spesiell væske kalt boreslam. Den sirkulerer gjennom borestrengen og fører med avvirket materiale opp til overflaten der det filtreres ut før boreslammet brukes om igjen. Boreslammet bidrar også til å kjøle og smøre boret, samt at det kontrollerer strømmen av olje eller gass fra brønnen og balanserer trykket i formasjonene som gjen­ nombores. Etter at olje er funnet i mengder som er store nok til at de er økonomisk drivverdige, settes det inn et produksjonsfringsrør. Et produksjonsventiltre (som består av en rekke forskjellige rør og ventiler) monteres på brønnhodet på havbunnen. Gass og vann fjernes fra oljen som så, via rør eller tankskip, fraktes til et raffineri.

En oljeboringsplattform til havs i Cook-innløpet i Alaska. Å.

◄ Borekronen, som kan være innsatt med diamanter, brukes til dypboring. De første borene brukte et bankesystem istedenfor rotasjon, noe som lett kunne føre til en ukontrol­ lert utstrømning når olje ble funnet. Bruk av rotasjon, der borehodet nærmest «spiser» seg nedover, gir bedre kontroll.

Boring til havs Omkring 25 prosent av verdens oljeproduksjon skjer nå til havs. Oljeboring til havs startet sent i 1940-årene utenfor kysten av Louisiana i USA, men det meste av den teknologiske utvikling har skjedd siden midten av 1960-årene. Til havs foregår boringen for det meste fra plattformer som hviler på bunnen på forholdsvis grunt vann (sjelden dypere enn 200 m) på kontinentalsokler. Bo­ ring på dypt vann kan imidlertid foregå fra flytende plattformer. Plattformer som hviler på havbunnen er bygd for å motstå den største bølgehøyde som kan tenkes å forekomme én gang i løpet av 100 år (den såkalte hundreårsbølgen). I Nordsjøen mellom Nor­ ge og Storbritannia betyr dette at det laveste dekket må være minst 25 m over havoverflaten. Plattformene må også kunne motstå de stadige slagene fra mindre bølger. Statfjord B-plattformen 160 km fra norskekysten veier nesten 900 000 tonn. Det meste av dette er betong ved foten av plattformen. Andre plattformtyper støtter seg på pilarer som er drevet ned i havbunnen, eller bruker en rekke ankerkabler, som bardunene rundt et telt. Ved å bore i forskjellige vinkler, kan én eneste plattform bore mange hull fra samme sted.

▲ Rørledninger i Alaska og , (innfelt) Sovjetunionen på opptil 1,22 m diameter er en effektiv og billig måte å frakte råolje på. Pumpestasjoner er plassert langs ledningene for å holde oljestømmen oppe. -4 Mer og mer av aktiviteten på et oljefelt til havs foregår under vann. Selve plattformen kan være halvt nedsenkbar eller plassert på bunnen med kraftige betongstøtter. Et senter med flere samlerør og ventiltrær er knyttet til flere brønner på skrå nedover i oljefeltet, mens satellittbrønner kan ha egne brønnhoder. Oljen tas opp til overflaten og lagres i en permanent oppankret tank før den pumpes over i større tankbåter som så frakter den til et raffineri på land. Tanken som oljen lagres i til havs kan enten være en del av produk­ sjonsplattformen, eller det kan være en egen tank bygd spesielt som lagringstank.

Utvinning under vann I noen tilfeller er materialet over forekomsten væske istedenfor fast stoff. Egne mudderfartøyer brukes for å hente opp verdifulle materialer fra hav- og innsjøbunner. De kan hentes opp ved slepeliner, skovlbelter eller sugemaskiner. Tinnmalm er en av de viktige materialene som utvinnes kommersielt med denne metoden, der over 10 prosent av verdens produksjon kommer fra drift utenfor kysten av Thailand og Indonesia. Etter hvert som forekomster på land tømmes, vendes oppmerksomheten stadig mer mot forekom­ ster til havs. Havene, og følgelig havbunnen, utgjør tross alt det meste av jordoverflaten, hele 70 prosent av den. I mange år er nyttige materialer hentet opp fra kontinentalsokler - kystfarvann på under 200 m. Her er værforholdene ofte ikke for harde og store mengder materiale hentes opp som kalk, sand og skjell til portlandsement, kiselhol­ dig eller malmbærende sand som kromitt (som krom kan raffineres fra), ilmenitt og rutil (titan), magnetitt (jern) og monazitt (thorium og andre lantanoider, som før gjerne ble kalt sjeldne jordarter).

Utvinning på store havdyp Utvinning av materialer fra større havdyp har hittil vist seg å være vanskelig. I Sør-Afrika prøvde man i 1960-årene å hente opp diamanter fra utenfor kysten, men det hele måtte av av økonomiske grunner oppgis etter noen år. En viktig ressurs det er stor interesse for, er noduler av mangan (også kalt manganknoller) på dyphavsbunner. (Mangan er et metall som er av stor betydning i legeringer med kobber og aluminium, og som også øker styrken på stål, som er den legeringen mangan for det meste brukes i.) Det har blant annet vært foreslått å hente dem opp ved å suge dem opp til overflaten. I tillegg til at teknologi­ en for dette ikke er godt nok utviklet, finnes det ingen internasjonal avtale om hvordan havbunnen utenfor kontinentalsokkelen skal nyttes. Sjøvann er kanskje den mest verdifulle ressursen som nå utnyttes utenfor kystområder. Hvert år hentes over 10 millioner tonn salt ut fra sjøvann ved fordampning. Også magnesium finnes deri form av oppløste salter og over 75 prosent av USAs magnesiumproduksjon skjer fra sjøvann.

112

Gruvedrift uten gruvearbeidere I forskjellige deler av verden har forekomster av vannløselige mine­ raler vært beskyttet fra oppløsning. Det kanskje mest kjente eksem­ pelet er nitratforekomstene i Chile, som nesten var den eneste uor­ ganiske kilden til nitrogengjødning til utviklingen av nitrogenbindingsprosessen av Fritz Haber (1868-1934) og Carl Bosch (18741940) tidlig på 1900-tallet. På grunn av de svært tørre forholdene i områdene der disse forekomstene lå, holdt de seg stort sett intak­ te. Selv i fuktigere områder av verden, som Vest-Europa, er fore­ komster av løselige mineraler blitt bevart ved at det har ligget ugjennomtrengelige berglag over dem. I salt- og sodagruvene i Europa benyttet man før gruvearbeidere og konvensjonelle sjaktgruver. Nå hentes imidlertid slike stoffer oftere ut ved løsningsdrift. Varmt vann pumpes ned i den løselige mineralforekomsten. Her danner det en løsning som så pumpes opp til overflaten, der mineralet kan utvinnes ved fordampning eller kjemisk omdanning til et uløselig derivat. Der et mineral er uløselig, kan det ofte gjøres om til en løselig form som så kan vaskes ut av forekomsten med vann. Over 10 prosent av kobberet som produsere i verden, utvinnes nå på denne måten. Selv om denne teknikken kan kalles en bioteknologi, har den vært brukt i over 3000 år. Forskjellige bakterier kan få energi til stoffskifte ved å oksidere enten jern eller svovel. Siden kobber ofte forekommer som et sulfid sammen med jernsulfid, har slike bakterier på naturlig måte produ­ sert løselige kobbersalter i millioner av år. Det var dette som for lenge siden først førte til utvinning av kobber fra dreneringsvann i gruver. Nå har man imidlertid studert prosessen i detalj og kan utnytte den mer bevisst og effektivt enn det som før var tilfelle da alt var overlatt til naturen selv. Her behandles opptil 4 milliarder tonn i gangen med surt vann. Dette hjelper bakterier, som Thiobacillus ferro-oxidans, til å omgjøre kobbersulfid til løselig kobbersulfat. Biodrift har også vært brukt for å utvinne uran ved å omgjøre det til et løselig ion. I fremtiden kan slike metoder, kanskje ved hjelp av geneteknikk, utvides til å utvinne mange andre metaller, som bly, molybden og sink. Fordelen med prosesser der det benyt­ tes bakterier, er at de vanligvis krever mindre energi enn konven­ sjonell utvinning og gjør også mindre skade på omgivelsene.

Utvinning av svovel med vann Vann er vanligvis et problem i gruver og det trengs omfattende dreneringssystemer for å fjerne det. Under vanskelige forhold kan det imidlertid brukes til å utvinne mineraler. En av de tidligste anvendel­ sene var i en prosess for å vinne ut svovel, som ble utviklet av Herman Frasch (1851-1914) og ennå brukes. I ulike deler av verden, særlig rundt Mexicogolfen, finnes store mengder rent svovel i saltdomer dekket med kalkstein. Disse forekomstene ble sannsynlig­ vis dannet av mikrober som reduserte sulfatholdig stein til svovel. På grunn av den giftige hydrogensulfidgassen som gjerne ledsager svovel, er det ofte risikabelt å utnytte slike forekomster. Svovel er ikke løselig i vann, men det har et nokså lavt smeltepunkt. Frasch-prosessen bruker tre rør med forskjellige diametre plassert utenpå hverandre. De settes ned i et borehull i svovelforekomsten, vanligvis rundt 200 m under overflaten. Overopphetet vann pumpes først ned de to ytre rørene under høyt trykk (der vannets kokepunkt er over smeltepunktet for svovel). Svovelet smelter og danner et underjordisk basseng. Etter 24 timer har det vanligvis dannet seg nok til at det er verdt å begynne å tvinge det opp til overflaten. Vannforsyningen i det midtre røret stoppes, og komprimert luft blåses ned i det innerste. Dette får varmt vann og flytende svovel til å danne en skummende væske som stiger opp i det midterste røret, mens mer varmt vann under trykk pumpes ned det ytterste. Blandingen fraktes via oppvarmete rør på overflaten til tanker der svovelet samles i 80 m lange og 20 m dype grøfter, skilles ut og størkner. Renheten på svovelet som utvinnes på denne måten er 99,5-99,9 prosent. ▼ Dødehavet i Israel inneholder mange verdifulle mineraler, som kaliumkarbonat, brom og vanlig salt. Disse utvinnes på kommer­ siell basis ved hjelp av solfordampning i kjemiske anlegg som det på bildet under. Saltvannet samles i store dammer på opptil 20 hektar for å få skilt ut urenheter før det overføres til kar der utkrystalliseringen skjer og det avsettes salter av forskjellige kvaliteter og typer.

Bearbeiding av råstoffer Raffinering av råstoffer... Raffinering av metaller og ikke-metalliske stoffer med varme... Elektrolyse: Aluminium og kobber... Bearbeiding med vann og løsninger... PERSPEKTIV... Gjenvinning av skrapmetall... Jern- og stålproduksjon... Utvinning av gull... Bearbeiding av aluminium... Gjenbruk av veidekke

Det meste som skjer av bearbeiding av råstoffer, gjelder produksjon av metaller fra malmer der metallet finnes sammen med andre grunnstoffer. Vanligvis må man ved hjelp av fysiske prosesser få økt konsentrasjonen av malmen før videre behandling kan foregå. Dette skjer ofte ved å knuse og male malmen, etterfulgt av flotasjon. Metallforbindelser har ofte større tetthet enn steinpartiklene de er omgitt av, men når de settes i bevegelse i vann som innehol­ der visse skummidler, hekter de seg til luftbobler som stiger opp, mens steinpartiklene synker. For mange malmer, særlig de som inneholder metallsulfider, kan konsentrasjonen slik økes til det tidobbelte. Etter å ha blitt anriket, behandles vanligvis malmen videre med én av to viktige metallurgiske teknikker: Pyro- eller smeltemetallurgiske prosesser (som på forskjellige måter anvender varme) og der også elektrometallurgi (som involverer elektrisitet) inngår, og hydro- eller våtveismetallurgiske metoder (der vann brukes).

Gjenbruk Tømmingen av viktige mineralressurser har ført til økt interesse for gjenbruk av avfall. Man er i de siste tiårene blitt stadig mer klar over at Jordens ressurser er endelige, og at vi derfor har et visst ansvar for å etterlate noen av dem til fremtidige ge­ nerasjoner. I praksis skjer en betydelig grad av gjenbruk i bearbeidingen av råmaterialer. Bare rundt halvparten av den årlige stålproduksjo­ nen skjer fra nytt jern. Mye av resten kommer fra to typer skrapjern. Noe stål «skrapes» uten å forlate stålverket fordi det er for dårlig. I tillegg til dette skrapet lages det mye skrap av dem som fabrikke­ rer ulike stålvarer. Hvis en komplisert form, som en bilskjerm, skjæres og presses ut fra en stålplate, blir det små biter til overs, som kan returneres til stålverket. Den tredje formen for skrap er den som er van­ skeligst å håndtere, nemlig stål i gjenstander som er utbrukte, som en ødelagt vaskemaskin. For å kunne bruke dette materialet på nytt, må de ulike komponentene lett kunne separeres ut og materia­ lets kvalitet være kjent. Siden stål kan ha ulike sam­ mensetninger, kan ikke forskjellige stål typer blandes sammen og gjenvinnes samtidig. Problemet er enda større om stålet er nært knyttet til et annet materiale. Blikkbokser består av stål dekket med et tynt lag tinn. Med mindre tinnet fjernes, vil det, under sterk oppvarming, danne jerntinn. Har en blikkboks inneholdt mat, er det sannsynligvis rester festes til innsiden. Den eneste økonomiske måten å få dette bort på, er å brenne det, men da trenger tinnet inn i stålet. Mange prosesser er utviklet, for eksempel for gjenvinning av sølv fra fotografiske materialer. Noen anvendelser av materialer er slik at det nesten er umulig å gjenvinne dem. Materialene i en telefon inneholder for eksempel over 40 ulike grunnstoffer. Likevel er det nå utviklet metoder for å skille ut metaller fra elektroniske komponenter. Gjenvinning lykkes best der stoffer lages med tanke på gjenvinning. Til nylig var mange brusbokser hovedsakelig laget av blikk, mens åpningsringen var av aluminium. Før disse kunne inngå i gjenvinning, måtte aluminiumet fjernes fra jernforbindelsene. Nå lages mange bokser helt av aluminium og kan lettere gjenvinnes. Over 50 prosent av aluminiumsboksene i Australia brukes til gjenvinning. I tillegg til muligheten for en fremtidig mangel på bestemte stoffer, har økningen i energiprisene de senere år medført økt interesse for å gjenvinne noen materialer, som for eksempel aluminium. Grunnen er at det vanligvis trengs langt mindre energi for å gjenvinne et metall enn å lage det ut fra dets malm. Energimengden som trengs for å gjenvinne aluminium er bare rundt 5 prosent av den som trengs for å lage ny aluminium fra bauxitt.

-4 Gamle biler inneholder både kobber, nikkel og stål som kan gjenvinnes. Karosseriene skjæres opp og jemkomponenter hentes ut med magnetiske metoder, andre metaller ved flotasjon. En annen metode er å sprute flytende nitrogen (med meget lav temperatur) på karosseriene og så knuse dem. Ved svært lave temperaturer er stål meget sprøtt og knuses som glass, mens andre metalliske stoffer forblir bøyelige.

114 Mange metaller kan raffineres ved oppvarming

Raffinering med varme Smeltemetallurgi kan foregå i ett eller flere trinn. Noen malmer, som blyglans (blysulfid) og sinkblende (sinksulfid), røstes for å om­ danne dem til oksider som så kan smeltes. I denne prosessen frem­ stilles også svoveldioksid, som kan brukes til å lage svovelsyre. Metalloksider, både de som lages ved røsting og de som fore­ kommer naturlig - som i jernmalm - kan varmes sammen med et reduksjonsmiddel som karbon (ofte i form av koks). Karbon har her en dobbeltfunksjon ved at det både fungerer som et brensel som gir en intens varme, og at det binder seg kjemisk til oksygen og frigjør rent metall. En annen form for behandling av urene metaller er destillering, som kan brukes når metallet har tilstrekkelig lavt kokepunkt. I no­ en smelteprosesser foregår smelting og destillering samtidig. Noen metaller danner forbindelser med karbonmonoksid. Fordi disse karbonylmetallene, som det finnes mange av, lett fordamper ved nokså lave temperaturer (rundt 200 °C der de spaltes i metall og karbonmonoksid), kan de brukes til å lage svært rene metaller. Både nikkel, jern og kobolt reagerer direkte med karbonmonoksid, og både sølv og kobber kan via sine halogensalter konsentreres på denne måten. < Tradisjonell glassblåsing skjer ved a hekte flytende glass på en hul stang og blåse det opp til en boble som formes ved rulling. Foten lages før toppen kuttes og formes.

▼ Sink fremstilles ved å lage et sink-bly-konsentrat der andre materialer er fjernet. Dette smeltes i en masovn i en prosess der også rent bly kan lages.

BEARBEIDING AV RÅSTOFFER

◄ Råolje varmes opp og sendes inn i et destillasjonstårn som består av en rekke forskjellige nivåer. Temperatu­ ren er høyest i bunnen av tårnet og de lettere hydrokarbondampene kan stige oppover i det. Hver oljetype har sitt eget kokepunkt og kondenserer derfor ut på et bestemt nivå. Stigende gasser bobler gjennom en oljetype mens den kondenserer. ▼ I et oljeraffineri benyttes flere kompliserte prosesser. Etter destillering føres noen av de tyngre oljene til et katalysatoranlegg der de dekompo­ neres («cracking») til lettere oljetyper. Svovel kan fjernes fra dieselolje. De tyngre delene kan bearbeides videre etterpå igjen. I Norge finnes det totalt fire raffinerier. De ligger på Mongstad, Slagentangen, Sola og Valløy. Norske og utenlandske oljeselskaper står som eiere.

115

Varmebehandling av ikke-metalliske stoffer Mange ikke-metalliske stoffer kan behandles med tilsvarende me­ toder som metaller. De aktive bindemidlene i sement og betong fremkommer ved å blande leire og kalkstein eller kritt til et pulver, eller, i en prosess som krever mindre energi, til en slags halvvåt «kake». Den sendes gjennom en lang roterovn der den brennes ved høy temperatur. Produktet blir så avkjølt og finmales i lukkete kule- eller rørmøller under tilsetning av gips. Slik fås en sement som, når den blandes med vann, herdner til en steinhard masse. Sementen brukes for det meste i betong, som også inneholder an­ dre ikke-reaktive materialer. I noen typer sement blandes det inn slagg fra jernsmelting. Sementens størkning og herding med vann er kompliserte kjemisk-fysiske prosesser som man ennå ikke har noen komplett forståelse av. Forskjellige oljeprodukter lages ved å destillere råoljen i destillasjonstårn og kondensere dem ut. Prosessen lettes ved å tilsette ka­ talysatorer som bryter opp de organiske forbindelsene. Et annet eksempel på bearbeiding av råstoffer der det brukes varme, er fremstilling av brent (ulesket) kalk (kalsiumoksid), som blant annet brukes til produksjon av glass. Fremstillingen skjer ved å varme opp naturlig kalkstein i koksfyrte ovner.

116 Moderne ovner fjerner forurensninger så effektivt at karbon må tilsettes stål for å unngå at det blir sprøtt

Jern og stål De smeltemetallurgiske prosessene som er mest brukt i verden i dag, er jern- og stålproduksjon. Det meste av jernmalmen som årlig omgjøres til metall, blir til stål der verdensproduksjonen nå er rundt 700 millioner tonn. Jern har i århundrer vært laget ved å smelte jernmalm (ofte et jernoksid) med en karbonkilde (først trekull, nå koks eller en blanding av koks og olje) og kalkstein. De fleste jernmalmer som nå smeltes har 60-80 prosent jernoksid. Besten er ofte en blanding av leire, stein og sand. Sammen med disse forurensningene danner kalkstein et slagg og bidrar til å få et renere metall. Ved høye temperaturer bindes oksygenet i malmen med karbon og det dannes karbondioksid og fritt metall. Dessverre opptar flytende jern rundt 4 prosent av sin egen vekt med karbon. Dermed blir metallet - kalt råjern - svært sprøtt når det størkner. For å lage stål må karboninnholdet I råjernet reduseres til under 1 prosent. Den første produksjon av stål i større målestokk kom etter at Henry Bessemer (1813-1898) i 1856 fant opp bessemerovnen. Bessemer oppdaget at for å brenne ut forurens­ ninger, som karbon, var det nok å sende luft gjennom det flytende jernet. Energien som frigis når det dannes oksider av disse forurensningene, holder metallet flytende.

▼ Skrapjern, som er gjenvunnet fra avfall eller rester fra tilskjæring av stål, brukes på nytt ved å legges i ovnen sammen med råjern. Den elektriske lysbueovnen kan bare bruke skrapjern. Også andre metaller og karbon tilføres ovnen.

Skrapjern

Kalk og flussmid

Smeltesone

Flytende råjern

Masovn

Pelletisering

Sintnng

Jernmalm

" KUII-

▲ Jernmalm fraktes til stålverket og forberedes for bruk i masovn ved at det lages til pellets eller sinter (som er små kuler der jernmalmen er blandet med koks og litt kalkstein). Mer kalkstein knuses for å tilføres masovnen.

A Malmen, koksen og kalk­ steinen føres over til masovnen. En strøm av varm luft som blåses gjennom ovnen brenner koksen og danner karbonmonoksid. Dette smelter og reduserer malmen. Råjernet samles i bunnen av ovnen og slagget fjernes.

Moderne stålproduksjon Prosessen som i dag for det meste brukes i stålpro­ duksjon, er stort sett den samme som Bessemers. Nå brukes oksygen istedenfor luft, da dette hindrer dannelsen av jern-nitrogen-forbindelser som gjør metallet sprøtt. Denne prosessen, som Bessemer tenkte på, men ikke kunne utføre på grunn av mangel på rent oksygen, ble utviklet i Østerrike og tatt i bruk tidlig i 1950-årene. Den kalles LDprosessen, som er en forkortelse for Linzer Dusenverfahren. Materialet som tømmes i en LD-ovn behøver ikke være utelukkende nytt jern fra malm. Man kan også bruke en blanding av flytende råjern og opptil 40 prosent skrapjern. Varmen som dannes når forurensningene oksideres, er stor nok til å smelte skrapjernet.

BEARBEIDING AV RÅSTOFFER

117

▼ Det flytende stålet kan støpes i blokker på mellom 50 kg og 30 tonn, som så valses ut i flate blokker (slabs) høyst 10 cm tykke. Kontinuerlige støpemaskiner tas nå i økende grad i bruk, der det flytende stålet valses mens det avkjøles.

Oksygen

Vannavkjølt lanse

Flytende stål

Strengstøping

LD-ovn

Blokker

▲ En LD-ovn tippes over for å tømme ut stålet som er laget. Ovnen trenger ikke noe ekstra varme utover den som produseres når oksygenet forbinder seg med karbonet i det flytende jernet.

Blokkvalse

Platevalse

Slab

▲ I LD-ovnen blåses rent oksygen gjennom råjernet En annen konstruksjon ligner på et åpent hjerte som oppvarmes nedenfra eller med karbonelektroder. LDprosessen er meget rask og gir ikke like god kontroll over kvaliteten som en elektrisk lysbueovn. Alle tre ovnstypene vippes for å tømme ut det flytende stålet slik at det etterpå kan støpes.

Støping

Barre

Valsing

Smiing f.eks. mot
lokk

Produksjon av spesialstål LD-prosessen er så effektiv når dehgjelder å fjerne karbon fra jernet at det må tilføres litt karbon på slutten av prosessen. Dettejordi rent jern er svakere enn jern med litpkarbon. Samtidig tilføres også andre grunnstoffer som nikkel og molybden. Mange typer spéi ilstål, som vanlig rustfritt stål også kalt 18/8-stai jrdi det inneholder 18 prosent krom og 8 prosent nikkel- lages i elektriske lysbueovner. Disse kan lades helt'med bare skrapjern. Kar­ bonelektroder danner en lysbué med metallet og den elektriske energien omgjøres tifvarme som smelter ladningen. Metallet kan holdes flytende i flere timer mens det kan tas prøver som analyseres. Meget nøyaktige mengder av andre grunnstoffer, som for eksempel krom, molybden, nikkel, silisium og vanadium, tilføres for å lage spesialstål.

Røremne

Plater

f.eks. veivaksel

f.eks. bjelker og skinner

Rør

Ruller

▲ Slabsen kan valses ut til flate eller opprullete plater, eller skjæres opp i mindre stykker og valses ut som tråd, rør, stenger, skinner eller bjelker. Også mer komplekse former, som for eksempel motorblokker, kan støpes eller smis fra hver slabs.

118 Nå utvinnes gull fra avfallet i sørafrikanske gruver fra de første årene av dette hundreåret

Aluminium Produksjon av aluminium er den viktigste elektrome­ tallurgiske prosessen. Til det trengs et nesten rent aluminiumoksid, noe som betyr at malmen - som hovedsakelig er bauxitt - må anrikes før bruk. Elek­ trolytisk produsert aluminium har en renhetsgrad på opptil 99,8 prosent. Med spesielle metoder kan en renhetsgrad på 99,99999 prosent nås. De viktigste urenhetene i bauxitt er andre oksider, særlig de fra jern, tinn og silisium. Aluminiumoksidet skilles fra disse ved hjelp av natriumhydroksld. Til forskjell fra andre oksider løses aluminiumoksid opp i denne og derfor kan nesten helt ren aluminiumok­ sid hentes ut fra oppløsningen. Aluminiumoksid, eller alumina, har et svært høyt smeltepunkt (ca 2000° C), men det kan reduseres til rundt 1000° C hvis det blandes med kryolitt (natrium, aluminium og fluor). Det frie metallet frem­ stilles ved elektrolyse av den flytende blandingen. I Hall-Héroult-prosessen tilfører den elektriske strømmen nok energi til å holde badet av alumina og kryolitt flytende og samtidig splitte oksidet. Aluminiummetallet er tyngre enn den flytende saltblandingen og synker til bunns. Oksygen utlades ved anoden. Siden denne er laget av karbon, binder den seg kjemisk med oksygen og må stadig fornyes. For hvert tonn metall som produseres, trengs et halvt tonn elektrodemateriale. Fordi de giftige fluorsaltene kan unnslippe til atmosfæren, har det vært uttrykt bekymring for foru­ rensning fra aluminiumsverk. Det har ført til utviklin­ gen aven prosess der alumina omgjøres til aluminiumklorid, som så elektrolyseres til å gi aluminium og klorgass. Samtidig som dette minsker forurensnin­ gen, har det den gunstige effekten at energiforbru­ ket reduseres med 30 prosent. ▲ ► Kobber raffineres vanligvis ved smelting når det forekommer som sulfid, men med elektrolyse når det finnes som oksid. I denne prosessen lutes malmen med svovelsyre for å danne kobbersulfat (nederst). Dette blir så elektrolysert med en uløselig anode. Ved katoden blir det da avsatt meget rent kobber, som øverst heises opp.

Elektrolyse av aluminium

-4 Bayerprosessen for å trekke ut aluminium er en av de mest brukte metodene til raffinering av metaller. Alumina (aluminium­ oksid) lages først fra bauxitten ved en omdanning. Alumipaet oppløses i natriumhydroksid (kaustisk soda) for å danne natriumaluminat og filtrere ut urenheter. Ved avkjøling dannes krystaller av aluminiumhydroksid som så varmes opp for å få ut vannet og danne vannfritt alumina. Det blandes med kryolitt eller kunstig aluminium-natriumfluorid for bruk i elektrolytten under elektrolysen. Aluminium avsettes ved katoden, men okygen bindes til karbonanoden og danner karbonmonoksid. Til hvert tonn aluminium som produseres, trengs et halvt tonn anodemateriale. Det meste av aluminiumet som produseres i Norge, lages ved bayerprosessen.

BEARBEIDING AV RÅSTOFFER

Elektrometallurgi En annen måte for å rense urene metaller er elektrometallurgi. Denne teknologien kan også benyttes til å utvinne metaller fra malm. Aluminium, som betraktes som det viktigste metallet etter jern, er det mest vanlige eksempelet på et grunnstoff som fremstil­ les fra malmen sin ved en elektrisk prosess. Hvert år produseres det på verdensbasis over 13 millioner tonn. Også magnesium frem­ stilles ved en elektrolytisk prosess. Det starter med at man fra sjø­ vann får magnesiumklorid eller at magnesiumoksid utvinnes fra jorden. Oksidet kan så omgjøres til magnesiumklorid ved å varme det opp med klor. Magnesiumkloridet overføres til elektrolytiske ovner der metallisk magnesium produseres. Forskjellige stoffer kan lages ved å sende elektrisitet gjennom et flytende metallisk salt og en løsning av dette saltet. For eksempel kan grunnstoffet natrium, som har meget lett for å reagere med andre stoffer, utvinnes ved elektrolyse av smeltet natriumklorid (koksalt). Metallet dannes ved katoden (den negative elektroden) og klorgass frigis ved anoden (den positive elektroden). Hvis imid­ lertid en løsning av natriumklorid elektrolyseres, vil hydrogen fra vannet bli frigitt ved katoden. Fortsatt fås klor ved anoden og resul­ tatet er at løsningen endres fra natriumklorid til natriumhydroksid (kaustisk soda). Denne prosessen brukes i industrien til å fremstille natriumhydroksid, som er et viktig industrielt råstoff. Det brukes blant annet til fremstilling av såpe og papirmasse. Elektrolyse av løsninger brukes i utstrakt grad for å gjøre metaller renere, som kobber, som ikke reagerer så lett som natrium. Dette skjer ved å forbruke kobber i anoden i en elektrolytisk krets, mens katoden er et stykke rent kobber og elektrolytten er en løsning av kobbersulfat. Når det sendes elektrisk strøm gjennom denne kretsen, løses kobber opp fra anoden og skilles ut fra løsningen ved den rene katoden. Urenhetene forblir enten i løsningen eller de felles ut, men ikke i noe fall overføres de til katoden. I noen prosesser behandles urenhetene videre for seg selv for å utvinne metaller fra dem. For eksempel blir de to sjeldne metalle­ ne selen og tellur kommersielt utvunnet på denne måten. Noen viktige kjemiske råstoffer, som natriumhydroksid og klor, fås fra elektrolyse av løsninger samtidig som det hentes ut metaller fra smeltete salter ved elektrometallurgi.

119

Gull: Fra skinn til karbonluting Den gamle greske historien om Jason og det gylne skinn har kanskje sitt opphav i primitiv teknologi. Gull er ett av de få metallene som forekommer naturlig i ren tilstand og ikke som en kjemisk forbin­ delse. Etter hvert som gullholdig berg eroderes, vaskes små metallpartikler bort, sammen med verdiløse steinpartikler. En måte for å utvinne gull på i oldtiden var å feste skinn på bunnen av elver som kom fra eller passerte over gullholdig berg. De tunge gullpartiklene hang seg fast i hårene i skinnet, mens de uinteressante steinpartiklene ble ført videre. Gullvaskingen under gullrushene på 1800-tallet var en ubetydelig forbedring av denne metoden. En av gulls attraktive egenskaper er at det vanskelig reagerer med andre stoffer, men det gjør det også vanskelig å skille det ut kjemisk. Med kvikksølv kan det danne et amalgam, og det første fremskrittet i gullutvinning varen teknikk der kvikksølv ble blandet med finknust gullmalm for å binde seg til gullet. Det tunge amalgamet som ble dannet, ble deretter samlet opp. Prosessen var lite effektiv og etterlot seg enorme sandhauger. Mot slutten av 1800-tallet ble det utviklet en kjemisk teknikk for gullseparasjon. Gull danner nemlig kjemiske forbindelser med cyanideioner. Denne metoden krevde at malmen måtte være mer finmalt og svevende i vann slik at gullet kan løses opp. Dette førte til oppbyggingen av store mengder overskuddsslam. Sandhaugene og slamdammene i Sør-Afrika er nå selv en viktig gullkilde fordi de nå vinnes ut på nytt. I Witwatersrand-området rundt Johannesburg er det 250 slamdammer og 100 sandhauger som dekker 8000 hektar. ■4 ▼ Sand og slam fra tidligere tiders gruvedrift i Sør-Afrika er nå en viktig ny gullkilde. De vaskes ned med høytrykks vannka­ noner og materialet konsentreres. Dette lutes for å fjerne uransalter og røstes for å omgjøre svovelkis til svoveldioksid. Gullet løses med cyanid (et salt av blåsyre) og absorberes til en spesiell type karbon.

120

Metallutvinning ved hjelp av løsninger Et område i rask vekst innen metallurgi er våtveismetallurgi. Her økes renheten av et metall ved hjelp av en løsning av metallet. For å få dannet en løsning på en effektiv måte, må stoffet som skal oppløses, opptre i form av små partikler. Derfor er oppmaling ofte en forutsetning for våtveismetallurgi. I noen tilfeller blir også den malte malmen røstet før den kommer i kontakt med vann. Noen metaller, som kobber, har allerede i flere hundreår blitt fremstilt ved hjelp av luting. Det som har økt utbredelsen av våtveismetoder det siste kvarte århundret, er utviklingen av organiske løsninger som løser opp metallene selektivt. Dermed kan de lett trekkes ut fra en vannholdig løsning. De fleste metalliske salter løses lett bare i såkalte polare løsnin­ ger, som vann. Fordi de fleste organiske løsninger, som vanligvis er basert på olje, er ikke-polare, vil metallsalter vanligvis ikke løses i dem. Mens man utviklet den første kjernefysiske bomben, oppda­ get man imidlertid at uransaltet uranylnitrat kunne løses i dietyleter (nafta). Dette førte til en prosess for å rense uran ved hjelp av løsning der uran fjernes fra vannet med en organisk løsning mens urenhetene blir igjen. Metallurgi som benytter utfelling av metaller i en løsning, base­ rer seg på to viktige forutsetninger. Den første er løseligheten av det aktuelle metall, som et salt i vann. Den andre er tilgang på en organisk kjemisk forbindelse som kan løses i en løsning som ikke blander seg med vann, for eksempel parafin, og som samtidig vil reagere med det aktuelle metallion og danne en forbindelse som fortsatt er løselig i den vannfrie løsningen. Bruken av slike forbindelser løser problemet med at de fleste metallioner ikke løses i organiske løsninger. For kobber brukes en gruppe kjemikalier kalt hydroksyoksimer som hjelpemiddel. De ble tatt i bruk i 1960-årene og har revolusjo­ nert kobberproduksjonen. Ved elektrolyse av kobberløsninger fås ved katoden en renhetsgrad på 99,98 prosent, og helt opp til 99,994 prosent, mens edle metaller som gull, sølv og platinametaller faller til bunns. Det er også blitt utviklet mange andre stoffer som har en affinitet for et bestemt metallion og utfelling ved løsninger har nå stor utbredelse. Løseligheten av et metall i vann kan endres ved tilstedeværelsen av andre forbindelser, som syrer og alkalier. Ved å endre surhets­ graden til en løsning, noe som ofte kobles sammen med bruken av ulike organiske løsninger, er det mulig å separere komplekse blandinger av metaller. I juli 1983 åpnet Matthey Rustenburg Refiners Ltd. verdens mest avanserte raffineri for platinametaller i Royston, England. Her ut­ nyttes nettopp teknologier basert på utfelling i løsninger. Prosessen starter med at et konsentrert råmateriale løses i en syre. En organisk løsning kalt metylisobutylketon fjerner gull, jern og tellur. Under litt andre forhold felles så palladium ut i en annen organisk løsning. En oksidasjonsprosess fjerner ruthenium og osmium fra løsningen, hvoretter platina felles ut ved hjelp av en organisk løsning som inneholder en ammoniakkforbindelse. Etter dette konsentreres den vannholdige løsningen, og en organisk løsning feller ut iridium. Til slutt sendes den vannholdige løsningen gjennom en søyle der rhodium tas ut ved en ionebytteprosess. Teknologien som baserer seg på utfelling fra løsninger er særlig viktig innen kjernefysisk industri der den brukes til å fjerne radio­ aktive stoffer fra kjernebrensel. Formeringsreaktorer produserer mer brensel enn de forbruker. Uran omdannes i løpet av formeringsprosessen til plutonium. Dette kan så brukes i en annen reaktortype, etter at det er blitt konsentrert ved hjelp av en løsning.

▲ Platina er svært motstandsdyktig mot korrosjon og har et høyt smeltepunkt. Derfor er det meget nyttig der det settes store krav til minst mulig oksidasjon og korrosjon. Platina blir for eksempel brukt som katalysator i mange viktige tekniske prosesser, som gassrensing, fremstilling av høyoktanbensin. Dessuten brukes platina i mange legeringer. På bildet prepareres platina for bruk i behandling av kreft.

Våtveismetallurgi for ikke-metaller Også mange kjemiske råmaterialer utvinnes ved løsningsprosesser, av samme type som de i våtveis­ metallurgi. Bordsalt (natriumklorid) er i mange hundre år utvunnet fra sjøvann og andre saltvannsoppløsninger. I tillegg til natriumklorid inneholder de fleste saltvannsoppløsninger også andre viktige mineraler. Hvis vannet fordamper langsomt i en rekke kar, er det mulig å skille ut enkeltstoffer, som kalsiumkarbonat, kalsiumsulfat, natriumklorid, magnesiumsulfat og magnesiumklorid. En kjemisk fabrikk ved Dødehavet i Israel utfører slike prosesser ved solvarme, og utvinner ved elektrolyse brom fra den resterende løsningen.

Gjenbruk av veidekke Blant ikke-metaller er gjenbruk av papir og glass velkjent, mens gjenbruk av byggematerialer er av nyere dato. Etter 1970 har gjenbruk av asfalt og betong, særlig fra veidekker, antatt et betydelig omfang. Disse dekkene består av knust stein som er kittet sammen med tjæreasfalt, stoffer som er dyre og ikke-fornybare ressurser. Veidekket fjernes, noen ganger ved hjelp av varme, men oftere med kaldfresing. Om nødvendig kan også betongfundamentet under brytes opp. Det gjenvunnete materialet varmes opp, blandes med noe mer stein og tjæreasfalt, og legges så som nytt dekke.

Nye materialer Kunstige diamanter... Harde kunstige stoffer... Legeringer... Nye kompositter... Plastmaterialer Nye anvendelser av keramikk... PERSPEKTIV... Bygging av bedre isfjell... Glassaktige metaller

Etter hvert som de utnyttbare forekomstene av tradisjonelle materi­ aler brukes opp, har interessen økt for å utvikle nye materialer eller modifisere eksisterende materialer som det ikke er mangel på. I mange år var diamant - et naturlig forekommende, men sjel­ dent stoff - det hardeste materiale man kjente. I tillegg til deres dekorative anvendelser, har diamanter viktige industrielle anven­ delser i male- og skjæreoperasjoner. En diamant består utelukkende av karbonatomer som er koblet sammen på den tettest mulige måte med kjemiske bindinger. Det finnes også mykere former for kar­ bon. I grafitt er for eksempel karbonatomene bundet sammen i plan som kan gli over hverandre. Dette gjør grafitt egnet som et smøremiddel i fast form, samt til bruk som «bly» i blyanter. Forskere har gjort mange forsøk på å omdanne grafitt til diamant ved å utsette det for høye trykk, og slik etterligne de geokjemiske prosessene som antas å ha foregått. Etter mange års forsøk, ble de første kunstige diamantene laget i 1953. Til å begynne med ble dette gjort på grunn av den potensielle verdien ved kunstige edelsteiner, men de kom isteden til å fylle et viktig behov for industridiamanter. Produksjon av slike diamanter har foregått siden slutten av 1950-årene og i dag er halvparten av verdens industridiamanter kunstige. I industrielle anvendelser har diamanter én ulempe: Karbon brenner. Følgelig vil en diamant oksideres bort når den varmes opp på grunn av friksjon. Forskere ved General Electric i USA ut­ viklet i 1950-årene en prosess der det under høyt trykk lages en forbindelse av like mengder bor og nitrogen. Et boratom har ett elektron mindre enn et karbonatom, mens et nitrogenatom har ett mer. Dermed har en blanding av like store mengder av de to like mange elektroner som en samling av karbonatomer, og kan bindes sammen kjemisk slik at de danner en diamantlignende struktur. Det resulterende stoffet, bornitrid, er svært hardt, men motstands­ dyktig mot oksidering. Det er for eksempel et ypperlig slipemiddel under sliping av stål.

Overflatelegeringer En annen måte å lage svært harde materialer på, er ved å danne en overflatelegering. Det har i mange århundrer vært kjent at metall-legeringer kan være mye hardere enn den viktigste bestandde­ len de inneholder. Bronse har for eksempel vært kjent fra forhisto­ risk tid som en legering der små mengder tinn i betydelig grad har økt hardheten på hovedingrediensen, kobber. Til nylig har alle legeringer vært ens tvers igjennom. I overflate­ legeringer tilføres imidlertid «herdestoffet» bare til overflatelaget på et stykke metall ved bruk av spesielle teknikker, og danner slik et lag med de samme egenskapene som legeringen. Tilføring av bora torner til molybden gjør for eksempel at det vanligvis myke molybdenet blir hardt som diamant. Bor kan også brukes på titan og zirkonium med en tilsvarende virkning.

▲ En bronsemugge fra Kypros, fra omtrent det 12. århundre f Kr. Bronse, den første legeringen som ble laget, gjorde redskaper og våpen sterkere enn jern og kobber.

▼ En presse for å lage kunstige diamanter, med en kunstig diamant på spissen av et tannlegebor innfelt. Kunstige diamanter lages ved en temperatur på 1650°C og et trykk på 10 000 tonn.

122 Moderne sammensatte materialer kan være opptil fire ganger sterkere enn kvalitetsstål

En viktig utvikling innen materialteknologi de senere år er innførin­ gen av nye, sammensatte materialer, kompositter, som er kombina­ sjoner av materialer med vidt forskjellige egenskaper. Tanken om et kompositt er ikke ny. Naturmaterialer som bein og bambus er kompositter, og de greske byggearbeiderne brukte metallstenger for å forsterke marmor for over 2000 år siden. De fleste moderne kompositter bruker kunstige harpikser - polymerer som er laget fra olje eller andre organiske materialer - sam­ men med glass, karbon eller mineralfibre. Fibrene stopper eller avbøyer sprekker som kunne føre til brudd i harpiksmaterialene og gjør dermed kompositten mindre sprø. De kunstige harpiksene har egenskaper som ligner en del på naturharpiksens, men en helt an­ nen sammensetning. Hvis det bare trengs en svært liten mengde med fibrer, kan de tilføres den flytende harpiksen, som så kan støpes i den ønskete form. Fibrene gjør imidlertid harpiksen mer tyktflytende. Dersom det trenges en større andel fibrer, må heller harpiksen tilføres dem. En fibermatte kan blåses på en trådform før harpiksen tømmes over den. Slik lages mer komplekse former som styrthjelmer. Glassfiberarmerte plastmaterialer er blitt brukt til å lage en rekke forskjellige gjenstander som tidligere ble laget av metall. I den se­ nere tid er det utviklet kompositter ved bruk av karbonfibrer, som selv er laget fra en kunstig polymer, polyakrylnitril, ved en kontrol­ lert forkulling. Det ble en gang antatt at karbonfiberforsterkete ma­ terialer ville ha mange høyteknologiske anvendelser. Karbonkompositter er meget stive og har høy strekkstyrke. Likevel er ikke strekkstyrken stor nok til de mer ekstreme anvendelser. Viftebladene av karbonfibrer til Rolls Royces RB211 jetmotor, som ble utviklet sent i 1960-årene, måtte derfor erstattes med blader av metallet titan. Karbonfiberkompositter har imidlertid funnet en rekke andre anvendelser, særlig til tekniske formål, som fly- og maskindeler, og til sportsutstyr, som for eksempel ski, staver og fiskestenger. Av andre anvendelser kan nevnes kunstige lemmer. Forskning som har som mål å forbedre egenskapene ved kompo­ sitter, fortsetter både fordi de kan erstatte dyre metaller og fordi deres lavere tetthet kan ha andre fordeler. Hvert kilogram som kan spares i vekten på et stort fly, vil redusere dets drivstoff-forbruk med 15 fat olje over flyets levetid. ► En 24 m lang sprøytebom laget av lette kunststoffer, og som brukes til plantesprøyting. Slike materialer kan ha et forhold mellom styrke og tetthet som er over fire ganger det for stål. De er lette å forme og billigere å lage enn konvensjonelle materialer.

◄ Avtek 400 representerer en helt ny konstruksjon for et lite fly. Kompositter utgjør 71 prosent av vekten av flykropp og vinger. Flykroppen har ingen metalliske fester. Panelene er laget av 12 mm tykke lag bygd opp rundt en bikakeformet kjerne. Lagene holdes sammen med meget sterke klebemidler (innfelt over) og luftbremsene er laminater med hud og ribber laget av grafittfiber/ epoksybånd (under).

BEARBEIDING AV RÅSTOFFER

4 Plastduker kan brukes til å dekke drivhus for å forhindre fordampning og tap av fuktighet fra dem og, som her, gjøre det mulig å dyrke frukt i det som før var ørken i Midtøsten.

123

▲ De første plastmaterialene som ble produsert var brann­ farlige og ofte sprø. I 1980årene er det utviklet nye typer plastskjold som opprørspoliti bruker for å beskytte seg mot kastevåpen.

Bygging av bedre isfjell Et av de mest uvanlige materialene som er utviklet i det tyvende århundre er pykritt, en blanding av tremasse og is. 11942 startet den britiske regjerin­ gen et prosjekt ledet av Geoffrey Pyke for å se om det var mulig å bygge hangarskip av is. En tidlig tanke var å hule ut en del av isfjellet og jevne ut toppen til rullebane. På den tid var det stor mangel på konvensjonelle byggematerialer og Pyke fant at, selv om han skulle måtte bygge et isskip, ville det bare kreve 1 prosent av den energien som trengs for å lage stål. Og, i motsetning til stål, kan ikke is synke. Man fant fort at is var et upålitelig konstruksjons­ materiale. Ulike prøver hadde svært forskjellig styrke. Ved å tilføre litt tremasse til vannet fikk man imidlertid en isblanding som var langt sterkere enn is, og mindre variabel. Det ble lagt planer for et hangarskip av pykritt med en rullebane som skulle være 600 m lang og 6 m bred. Et problem var at pykritt deformerte om temperaturen kom over -15°C. I konstruksjonen ble det derfor lagt inn kjølekretser som skulle sørge for hele tiden å holde temperaturen lav nok. Dessuten la man inn motorer som skulle sørge for fremdriften av isfjellet, slik at man ikke skulle være prisgitt vinder og havstrømmer. Prosjektet ble av flere grunner stoppet i 1944. En viktig grunn var at utviklingen innen flykonstruksjon gjorde at en rullebane på 600 m var for kort. Dessuten var behovet mindre da flyenes rekkevidde var økt og man nå kunne patruljere Atlanterhavet med landbaserte fly. Likevel skal et lignende materiale brukes til konstruksjon av en kai i Oslo­ fjorden. Det studeres også som et mulig konstruk­ sjonsmateriale for oljeplattformer til havs.

124

•4 Den amerikanske romfergen har rundt 30 000 individuelt formete blokker av silisiumfibre festet med et klebemiddel. Disse beskytter romfergen mot de høye tem­ peraturene den utsettes for under ferden ned gjennom atmosfæren.

▼ Turbinblader av silisiumnitrid laget av Rolls Royce for bruk i en helikoptermotor. Av andre keramiske deler planlagt for denne motoren kan nevnes belegg for lagrene og flammerøret, samt lavtrykksdysen. Motoren konstru­ eres for å gå med opptil 40 000 rpm ved 1100°C. De enkelte bladene bearbeides fra blokker og monteres i en metallskive. Skjøten mellom det keramiske materialet og metallet er et mulig svakt ledd. Derfor forskes det nå på en metode for å støpe skiven og bladene sammen for å løse dette problemet.

Etter hvert som metaller blir dyrere, øker interessen for å utvikle ikke-metalliske materialer som kan erstatte dem. Millioner av dollar er for eksempel brukt til forskning på høytemperaturbestandige ke­ ramiske materialer til bruk i kjernereaktorer og gassturbiner. I til­ legg til at de senker fremstillingskostnadene og metallmengdene som trengs, kan keramiske turbiner og jetmotorer tåle høyere tem­ peraturer enn de laget av tradisjonelle materialer. Keramiske stoffer tåler fint temperaturer på 1000°C og høyere. Keramiske blader trenger ikke innvendig luftkjøling og utvider seg ikke når de var­ mes opp. Derfor vil keramiske turbiner være mer effektive enn turbiner av konvensjonelle nikkel-krom-legeringer. Hvis keramiske materialer benyttes i sylindervegger, kan de også være til betydelig nytte i vanlige forbrenningsmotorer. I 1971 ble silisiumnitrid valgt som et mulig turbinmateriale fordi det er svært hardt, termisk stabilt og motstandsdyktig overfor oksidering. Grunnstoffene det består av, silisium og nitrogen, er begge svært vanlige - sand er silisiumoksid og nitrogen utgjør 80 prosent av jordatmosfæren. Silisiumnitrid er imidlertid vanskelig å bearbei­ de til ønsket form. Derfor må komponentene lages med nøyaktig riktig form før de brennes, noe som er meget vanskelig da et kera­ misk materiale i betydelig grad krymper på dette stadium. For å komme rundt dette problemet, kan det keramiske stoffet blandes med et plastmateriale og gjennomgå en egen brenneoperasjon. Det danner da et svamplignende stoff med hull der plasten har fordam­ pet. Disse hullene kan så fylles med grafitt eller nitrogen og dette keramiske materialet vil krympe minimalt ved brenning. Likevel kan silisiumnitrid med de beste egenskapene bare lages under for­ hold som ødelegger disse. En alternativ familie av forbindelser er sialonene, oppkalt etter de kjemiske symbolene for grunnstoffene de lages av: Silisium, alu­ minium, oksygen og nitrogen. Disse kan lages ved å la silisiumni­ trid reagere med aluminium, vanligvis med yttriumoksid til stede. Sialonene er ikke beheftet med ulempene til silisiumnitrid.

Glassaktige metaller Nye legeringer kan forbedre eksisterende materialer. Ved å tilføre 3 prosent litium til aluminium får man for eksempel en legering som er 10 prosent sterkere og nesten 10 prosent lettere, noe som kan spare vekt i et fly. Mindre vekt vil gi seg utslag i redusert forbruk av drivstoff. Nye måter å lage legeringer på gir også nye muligheter. Ved å avkjøle en ferrolegering meget raskt - med hastigheter på opptil 1 000 000° C per sekund - hindres dannelsen av krystaller. De amorfe legeringene som fremkommer, har en glassaktig struktur som gir dem uvanlige magnetiske og korrosjonsresistente egenskaper. De kan lett magnetise­ res og avmagnetiseres, og kunne redusere energitap i elektriske motorer og transformatorer. Ble de brukt i alle kraftlinjetransformatorene USA, kunne de årlige varmetapene på 30 milliarder kWh reduseres med to tredeler.

Ordliste Amplitudemodulasjon (AM) En vanlig metode for å kode en bærebølge i en radiooverføring med informasjonen som ønskes overført. Kodingen skjer ved å variere bærebølgens amplitude, det vil si styrken på signalet, istedenfor frekvensen. Analog En beskrivelse av et signal som kan variere kontinuerlig. Anode Den positive elektroden til et batteri, en elektrolysecelle eller et elektronrør. Antenne En komponent i en elektrisk krets som sender ut eller mottar radiobølger. Batteri En innretning som kan omgjøre kjemisk energi til elektrisk ener­ gi i form av likestrøm. Bilderør Et lufttomt glassrør som i den ene enden har en katode og en anode. Elektroner fra katoden akselereres gjennom anoden og danner en stråle som treffer en skjerm med et lysfølsomt be­ legg. Bilderøret er den viktigste komponenten i oscilloskoper, fjernsynsapparater og skjerm­ terminaler. Bioteknologi Bruk av mikroorganismer til in­ dustrielle formål. Brenselcelle Kilde til elektrisk strøm der kje­ misk energi som frigis ved en forbrenning brukes til å produ­ sere elektrisk energi. Båndbredde Differansen mellom laveste og høyeste frekvens som trengs el­ ler er tilgjengelig for overførin­ gen av et signal. Dynamo En maskin for å omgjøre meka­ nisk energi til elektrisk energi, noe som vanligvis skjer ved å la en spole rotere i et magnetfelt. Kalles også gjerne generator. Elektrode En komponent i en elektrisk krets der strøm overføres mel­ lom en metallisk leder og en gass eller en elektrolytt. Elektrolyse En måte å frembringe kjemiske reaksjoner på ved å sende en elektrisk strøm gjennom en elek­ trolytt, slik at et materiale avset­ tes ved katoden eller anoden. Elektrolytt Kjemiske forbindelser som gjør en løsning elektrisk ledende når de løses i vann.

Elektronkanon Den komponenten i et bilderør som produserer, akselererer og avbøyer en elektronstråle. Filter En oppstilling av komponenter som sender eller slipper gjen­ nom signaler innenfor et visst frekvensintervall, og stopper an­ dre. Fisjon Betegner innen kjernefysikk en prosess der et grunnstoff (det vil si en atomkjerne) spaltes i to el­ ler flere grunnstoffer (atomkjer­ ner) med lavere atommasse, samtidig som det frigis energi. Flattrykk (litografi) En trykkemetode der trykkpla­ ten behandles slik at noen områ­ der av den tiltrekker seg trykk­ sverten, mens andre frastøter den. Flotasjon En prosess for å skille ut minera­ ler ved å blande pulverisert malm med vann og pumpe luft gjennom blandingen. Mineralpartiklene danner et skum som kan skummes av. Frekvens Et mål på perioden for et svingefenomen. Frekvensmodulasjon (FM) En vanlig metode for å kode en bærebølge i en radiooverføring med informasjonen som ønskes overført. Kodingen skjer ved å variere bærebølgens frekvens, istedenfor styrken på signalet. Fusjon Betegner innen kjernefysikk en prosess der to eller flere atom­ kjerner smelter sammen og dan­ ner et nytt grunnstoff (atomkjer­ ne) med høyere atommasse, samtidig som det frigis energi. Gyroskop En roterende skive (svinghjul) montert slik at dens rotasjonsak­ se fritt kan anta en hvilken som helst stilling. Brukes i treghetsnavigasjonssystemer. Halveringstid Tiden det tar før halvparten av isotopene i en gitt startmengde er omdannet ved radioaktiv nedbrytning. Hydrofoil En struktur som monteres til en båt og som produserer en løftekraft slik at skroget heves opp og kommer klar av vannflaten. Høydemåler Et instrument som måler høy­ der. Målinger i forhold til havo­ verflaten gjøres ved bruk av trykkmålinger og en lokal refe­ ranse, eller i forhold til det loka­

le terrenget ved hjelp av elektro­ magnetiske instrumenter. Induksjon Beskriver et fenomen der et elektrisk felt genereres i en elek­ trisk krets ved at antall magneti­ ske feltlinjer som passerer gjen­ nom den endres. Isotop Atomer av et grunnstoff med samme antall protoner i kjernen, men med forskjellig antall nøy­ troner. Jetmotor En motor som driver et fartøy fremover ved å akselerere en gass-strøm bakover, slik at strømmens bakoverrettete beve­ gelsesmengde skyver fartøyet fremover. Katalysator Et stoff som øker hastigheten på en kjemisk reaksjon, men som selv er kjemisk uendret ved slut­ ten av reaksjonen. Katode Den negative elektroden til et batteri, en elektrolysecelle eller et elektronrør. Også brukt om den elektroden der elektroner kommer inn i et system fra en ekstern krets. Kompositt Et materiale som er sammensatt av to eller flere andre materialer, og som har egenskaper som er forskjellige fra delkomponente­ ne. Leder Et materiale som som kan frakte en elektrisk strøm. Legering Et stoff med metalliske egenska­ per som er laget ved enten å kombinere metaller med hver­ andre eller med ikke-metaller som karbon eller fosfor. Litografi Se Flattrykk. Luftputefartøy Et fartøy til bruk på sjø eller land som holder seg svevende ved hjelp av en luftstrøm under høyt trykk som danner en slags pute under fartøyet. Magnetsvevebane Tog der kraftige elektromagne­ ter brukes til å løfte toget opp fra sporet og skyve det fremover. Modem Av fflødulator/demodulator. Et apparat som brukes for å omgjø­ re signalet fra en datamaskin til en form som egner seg for sen­ ding over det ordinære telefon­ nettet, og som også kan omgjøre signaler andre veien. Moderator Et stoff som brukes i kjernereak-

torer for å bremse ned nøytrone­ ne som frigis under fisjonsprosessene, og slik kontrollere reaktorens ytelse. Optisk fiber Ekstruderte glassfibre med svært høy renhetsgrad. Brukes til å overføre lyssignaler og tas mer og mer i bruk i telekommunikasjonssystemer fordi de har langt større overføringskapasitet enn tradisjonelle kabler og ledninger av metall. Pitotrør Innretning for å måle luft- eller vannhastighet. Skjer ved å sam­ menligne trykket i luft- eller vannstrømmen med trykket i stillestående luft eller vann. Rakettmotor En slags jetmotor der raketten frakter med seg alt drivstoff som trengs i forbrenningen for å pro­ dusere eksosgassene som, når de støtes ut bakover, skyver raket­ ten fremover. Sintring Prosess for sammenbinding av pulverformet materiale ved en oppvarming ved temperaturer under materialets smeltepunkt. Brukes til å omgjøre finfordelt pulver til større stykker. Tokamak En smultringformet konstruk­ sjon der et plasma med høy tem­ peratur (flere titalls millioner grader) holdes på plass mens det foregår en kontrollert fusjons­ prosess. Tilbakekobling En prosess der driften av et sy­ stem reguleres ved å registrere hvilken effekt det har og bruke disse dataene til å la systemet ju­ stere seg selv. Treghetsnavigasjonssystem Et navigasjonssystem som ved hjelp av akselerometre og gyro­ skoper registrerer endringer i et fartøys bevegelsesretning og ha­ stighet. Dersom fartøyets ut­ gangsposisjon er kjent, kan far­ tøyets posisjon på ethvert senere tidspunkt fastslås, med en viss usikkerhet. Turbin En maskin som direkte omgjør den kinetiske energien i en strømmende gass eller væske til roterende bevegelser. Varmepumpe En maskin for å overføre varme fra et område med lavere til et område med høyere temperatur. Det skjer ved hjelp av et medi­ um, som ammoniakk, og ved forbruk av andre typer energi, som elektrisitet.

Register Sidehenvisninger i kursiv viser til billedtekster, illustrasjonstekster og sidetekster.

A A320 99 Aerob gjæring 31 Aerodynamikk 79, 80, 82, 86, 92, 94 Alkohol som drivstoff 30 Aluminium 40, 113, 118 -gjenvinning 113 Americum 19 Ammoniakk 31, 32 Ammoniumklorid 11, 11 Amplitudemodulasjon 62 Anaerob gjæring 30 Angrepsvinkel 94, 94, 95 Ankring 111 Anoder 11 Antenne, jordstasjon 68 Antimon 105 Apache-helikopteret 42 Apollo-prosjektet 11, 101 Arbeidsstempel 7 Arkmaterpresser 52 Arsenikk 26, 59 Asfaltgjenvinning 120 Asynkronmotorer 12, 74 Atomer 17 Austin Morris Mini 75, 75 Australia II 87 Australia III 87 Automatisk mobiltelefon 63 Avfall -gjenvinning 113 - kjernefysisk 18, 19 - organisk 30 Avfallsgasser 15 Avgasskontroll 84 Aviser, elektroniske 50 Avtek 122 AWACS 46, 46

B Bakkeeffekt 78 Bakke-til-luft-raketter 41, 44-45 Bakterier, i gruvedrift 112 Balanseror 94 Bardeen, John 62 Batterier 11 Batyskaf 91 Bauxitt 118 Bayer-prosessen 118 Beduintelt 33 Bell, Alexander Graham 54, 58 Bell Telephone Company 54 Bell Telephone Laboratories 62 Bensin 8, 9, 30, 84 Bensinmotor 8, 84 Bensinpumpe 8 Benz, Karl 75 Bessemer, Henry 116 Betong 115, 120 - armert 35-36 - uarmert 34, 35 B-52-fly 96 Bicyclette 80 Big Boy-lokomotivet 70 Bildebehandling 51, 66 Bilderør 65 Biler 75-79

Bindingsverk 34 Binære sifre 55 Biodrift (gruver) 112 Biogass 30 Biomasse 30 Blikkbokser, gjenvinning 113 Blindfire (radar) 45 Bloodhound-raketten 41 Bly 105, 112, 114 Blucher (lokomotiv) 69 BMX-sykler 80, 80 Boeing 707-fly 46, 96, 97, 98 Boeing 747-fly 98, 101 Bofors-kanoner 45 Boggier 71, 73 Boktrykk 47 Boliger 33-40 Bor 20, 26, 121 Borekrone 110 Boreslam 110 Boreteknikker 110 Bornitrid 121 Bosch, Carl 112 Boulting og Watt-maskinen 69 Brattain, W. 62 Braun, Wernher von 101 Bremseklaffer 94 Bremser 77, 79, 94 Brennkammer 10, 10 Brenselceller 11, 14, 30, 104 Brensel, kjernefysisk 18 Brensel, raketter 10 Brenselstaver 17, 20 Brunel, I. K. 86, 88, 89 Brytningsindeks 58 Buelamper 13 Buer 34, 34 Bushnell, David 90 Bygninger 33-40 Bølgeenergi 28 Børster 12 Båndbredde 62, 66, 68 Båter og skip 85-92

c CANDU-reaktoren 21, 22-23 Cesium 19 C-5-flyet 96 Challenger (romferge) 101 Chapman, Colin 78 Charlotte Dundas 88 Clutch 87 Cockerell, Christopher 92 Columbia (romferge) 101 Concorde 96, 98 Cooke, William Fothergill 53 CUE-X-bilen 82-83,84 Cyan 50 Cyanid 119 Cyanidebehandling 119

D d'Abbans, marki Jouffroy 88 Dagbrudd 105, 105, 108, 109 Daimler, Gottlieb 75 Dampkjele 5 Dampkraftmaskin 5 Damplokomotiver 69-71 Dampmaskiner 6

Damppumpe 5 Dampskip 88, 89 Dampturbiner 6 Darreius, G. J. M. 29 Dash 80, 96 Datakommunikasjon 60 Datamaskinassistert konstruksjon 93 Datamaskiner 60, 63, 72, 86, 99 Datamaskingrafikk 72 se også Bildebe­ handling Dataskjermer 49 Davidson, Robert 13 DC-3-fly 96, 98, 98 de Havilland Comet 10, 96,, 98 Destillering 114, 115 Deuterium 23, 24 Diamanter 121 Dieselelektriske lokomotiver 70, 71 Dieselerstatninger 31 Dieselmotorer 9, 84, 88, 90 Diesel, Rudolf 9 Differensial 76 Digitale nett for integrerte tjenester 56 Digitalsentral 55 Digital typesetting 49 Dikroiske speil 64 Djunker 85, 85, 86 Dobbeltvirkende maskin 6 Drais, baron von 80 Draisienne-sykkel 80 Drenering, i gruver 107 »Drive-by-wire« 82 Drivstoff 10 Dundas, William 88 Durra 30 Dynamoer 12 Dyptrykk 47, 49, 50, 52

E Edison, Thomas 13, 14 Einstein, Albert 17 Ekspansjonskobling 70 Ekspansjonsmaskiner 5 Ekspertsystemer 105 Elektrisitet - produksjon 25, 28, 30, 31-32 Elektriske biler 84 Elektriske celler 11 Elektriske generatorer 12, 13, 14, 14 Elektriske lokomotiver 13, 71, 73 Elektriske lysbueovner 117 Elektriske motorer 12, 124 Elektrisk energi 11-16 Elektroder 11 Elektrolyse 119,120 Elektrolytt 11 Elektromagneter 12, 14, 74 Elektromagnetisk stråling 61, 63 Elektromagnetisme 13 Elektrometallurgi 113, 118, 119 Elektroner 11 Elektronisk betalingsformidling 56, 60, 60 Elektronisk motorkontroll 79, 84 Elektronisk trykking 51 Energisparing 40 Epoksyharpikser 36 Ericsson, John 88, 88 Etanol 30 Etylalkohol 30 Exocet-raketten 46

F F-lll 97 Faksimileoverføring 60 Faraday, Michael 13 Fargeseparasjon 50 Fargesveiper 50, 50 Fargetrykk 50, 52 Fasadekledning 34 Feltortdrift 106 Fermi, Enrico 17 Fiberoptikk 56, 58, 59, 66 Field, Cyrus 57 Firehjulsdrift 82 Firehjulsstyring 75 Firetaktsyklusen 8 Fisjon 17, 20 Fitch, John 88 Fjernsyn 64-67 Fjernsynskamera 64 Flattrykk 47, 49, 52, 52 Fleming, J. Ambrose 62 Flotasjon 113 Fluorkarboner 36 »Fly-by-wire« 99 Flybåt 98 Flyer I 93 Flykontroll 94, 99 Flysikkerhet 98 Flytende krystaller 66 Flyvning 93-100 Forbrenningsmotor 8, 8, 71, 90 Ford, biler 75, 79 Fordeler 8 Ford, Henry 30, 75, 75 Forest, Lee de 62 Forgasser 8, 9 Forgassing 107 Forhjulsdrift 75 Forkompresjon 84 Forlanini, Enrico 92 Formel I-biler 79 Formeringsreaktorer 18, 18, 20, 21 Forsterkere 56, 57, 62 Fortrengerstempel 7 Forurensning 15 Fosfor 59, 65 Fosforsyrer 11 Fossilt brensel 25 se også Olje Fotodetektorer 59 Fotoelektriske celler 26 Fotofon 58 Fotokopiering 52 Fotoner 26, 59 Fotosetting 48, 49 Fotosyntese 25 Frasch, Herman 112 Frekvens 62 Frekvensmodulasjon 62 Fuller, R. Buckminster 34, 35, 36 Fulton, Robert 90 Fusjon, kjernefysisk 24, 24

G Gagarin, Jurij 101 Gallium 59 Galvanisering 13 Garry, Owen 88 Gassavkjølte reaktorer 21 Gassdiffusjon 18 Gassfjær 7 Gassmotor 8 Gassturbiner 10, 73, 84, 95

Gemini 104 Generatorer, elektriske 12, 12, 13, 14, 14 Geostasjonær bane 68 Geotermisk energi 32 Gipsbelegg 40 Girkasse 76, 77 Gir, sykkel 80 Gjenvinning 18, 19, 113, 120 Glass 59 -fabrikasjon 114, 115 - til bygninger 35 Glassfiber 13 Glødelamper 13 Goddard, Robert Hutchings 10, 101 Goniometer 42 Gossamer Albatross 100, 100 Grafitt 17, 21, 121 Great Britain 86, 89 Great Eastern 57, 88 Great, Harry 85 Great Western 88 Grunnfarger 50, 64 Gruvedrift 105-112 Gull 105,119 Gutenberg, Johann 47

H Haber, Fritz 112 Haleror 93, 94 Hall-Héroult-prosessen 118 Hall, Samuel 88 Halvledere 59, 62 Halvlederlasere 59 Harpikser, kunstige 122 HEAT-granat 42 Heinkel He 178, 96 Hekkmotor 75 Helikoptere 42, 45, 95 Hellfire-raketten 42 Henry, Joseph 13 Hertz 62 Hertz, Heinrich Rudolf 61 Heterostrukturer 59 Holland, John P. 90 Hong Kong Bank 35 Hoover-demningen 29 Horisontalstabilisatorer 93, 94 Hovedbanen (Oslo-Eidsvoll) 69 Hull-ladning 42 Huygens, Christiaan 8 Hvelvinger 34 Hydrofoil 92, 92 Hydrogenbombe 24 Hydrogensulfid 112 Høybygg 33, 36 Høyderor 93, 94 Høyoppløsningsfjernsyn 66, 66 Høyspentlinjer 16, 16 Høytrykk (trykking) 47, 50, 52

I Iglo 37 Ilmenitt 101 Indium 59 Induksjon 13, 16 Induksjonsmotorer 12 Industrielle revolusjon 5 Infrarød stråling 52 Infrarød varme, i rakettfølging 42, 45 Integrerte kretser 62

Integrerte tjenester, digitale nett for 56 Intelsat 68 Inuitt 37 Ionosfære 61, 68 Isbryter 88, 89 Isfjell, kunstige 123 Isolasjon, i bygninger 38, 40

Jamming 46 Jern 116 Jernbanetransport 69-74 Jetmotorer 10, 10, 96, 122 JET-tokamaken 24

K Kabelfjernsyn 57 Kabler 16, 56, 56, 57, 58 Kadmium 20 Kalkstein 115,116 Kalk, ulesket 115 Kalsium 104, 120 Kamaksel 8 Kameraer 64 Kamerarør 64 Kampfly 97 Kanoner, luftforsvar 45 Karbon 114, 116, 118, 119, 121 Karbonbuelamper 13 Karbondioksid 21, 104, 107 Karbonfiberkompositter 78, 122 Karbonmonoksid 107, 114, 116, 118 Karosseri 76, 78 Kassava 30 Katalysatorer 84 Katoder 11 Kaustisk soda 118, 119 Kavitasjon 88 KC-135 97 Keramiske materialer 124 Kinasyndromet 17 Kjedereaksjoner 17 Kjernefysisk brensel 18, 19, 120 Kjernefysisk energi 17-24,88 Kjernefysiske undervannsbåter 90, 91 Kjernefysiske våpen 18, 21, 41 Kjernereaksjoner 17 Kjemereaktorer 20-23 Kjøler, båt 87 Kjølevæsker, kjemereaktorer 20 Klima 33, 34 Kobber 118, 119 Kobolt 114 Kogge 85 Koherent optisk kommunikasjon 62 Koherent optisk overføring 59 Kokosnøttolje 31 Koks 116 Kokvannsreaktor 21 Kommunikasjon, elektronisk 53-68 Kommunikasjonssatellitter 56, 68 Kommutator 12 Kompositter 122 Kompressorer 84 Komprimeringsslag 8, 9 Kondensator 6, 64 Kontinentalsokkelen, utvinning 111 Kontrollstaver 20 Koroljov, Sergei P. 101 Kraftoverføring (bil) 76 Kraftverk 13, 14

Kraftverkturbin 7 Krigsskip 85 Krom 117 Krominanssignal 64, 65 Krystallapparater 62 Kullgruvedrift 105, 106, 107 Kupler 34, 35, 36 Kvartsglass 59 Kvikksølvamalgam 119 Kvikksølvoksid 11

L Langskip 85 Lasere 24, 59 - til trykking 49, 52 Laserskrivere 52 Latinerseil 85, 86 Lawson, H. J. 80 LD-prosessen 116, 117 Leclanché-celler 11, 11 Leclanché, Georges 11 Ledehjul 6 Ledningssløyfer 12 Legeringer 121, 124 -overflate 121 Leirsteinshus 37 Lenoir, Etienne 8 Likestrøm 12, 16, 71 Likestrømgenerator 12 Lineære induksjonsmotorer 12, 74 Linotypesettemaskiner 48, 48 Litium 11, 24, 124 Litografi 47 se også Flattrykk Liverpool-Manchester-banen 69 Locomotion 69 Lokomotiver 69-74 Lominanssignal 64, 65 Los Angeles 13 Lotus racerbiler 78 Louisiana Superdome 37 Luftmotstand, reduksjon av 79, 80, 92, 94, 97 Luftputefartøy 92, 92 Luftskip 98 Luftvernkanon 45 Luting, i gruvedrift 105, 112 Lys, elektrisk 13 Lysfølsomme materialer 52 Løft, flyvning 94, 95 Løpehjul 6 Løsningselektrolyse 119

M MacPherson-opphengning 76 Magenta 50 Magnesium 101, 111, 119, 120 Magnetfelter 12, 24, 61 Magnetiske svevetog 12, 74, 74 Magnetisk flaske 24 Magnetohydrodynamisk energipro­ duksjon 14 Malmtog 108 Mangan 101, 111 Marconi, Guglielmo 59, 61, 61 Masovn 116 Mercury 104 Metallurgi 113-120 Metan 30, 30, 106 Mikrobiologisk luting 105 Mikrobølger 56, 57, 62, 68 Mikrodatamaskiner 82

Mikrofly 100 Mikrofoner 54 Mikroklimaer 33 Mikroprosessorer 60, 86 MILAN-raketten 42, 42 Militærteknologi 41-46, 88, 90, 96 Miljøkontrollsystem 104 Mini, Austin Morris 75 Mir 104 Modemer 51, 60 Moderatorer 19, 20, 23 Modulasjon 62, 63 Molybden 105, 112, 117, 121 Morsekode 53 Morse, Samuel 53 Motorer 5-10, 12, 84, 88, 124 Mottakere 59, 61, 62, 66 Multipleksing 55

N Natrium 20, 118, 119,120 Natriumhydroksid 118, 119 Nautilus 90 Navgir 80 Navigasjon 83, 90 Nedsmelting, kjernereaktor 17 Newcomen, Thomas 5 Nike-Ajax-raketten 41 Nike-Hercules-raketten 41 Nikkel 114, 117 Nitrogenfiksering 112

o Offset flattrykkspresser 52 Ohain, Hans von 96 Oksidasjonsmidler 10, 11 Olje 9, 17, 31, 115 Oljeboring til havs 110, 110 Oljeprodukter 115 Oljetankskip 89 Områdesentral 55 Opphengningssystemer, bil 76, 77, 78 Oppvarming 38, 39, 40 Optiske fibrer 49, 56, 58, 58, 59, 66 Otso 89 Ottomotorer 8, 8 Otto, Nikolaus 8 Overflatekondensatorer 88 Overflatelegering 121 Overligger 34, 34 Overvåkning 46

p Pacemakere 11 Panavia Tornado 97 Panserbrytende granater 42 Panservernraketter 42-43 Papin, Denis 5, 88 Parabolantenner 57, 68 Parsons, Charles 6, 88 Passasjerfly 96, 97, 98, 98 Perry-undervannsbåten 91 PILJS-reaktoren 21 Plasma 24 Plastmaterialer 36, 37, 122, 123 Platina 120, 120 Plongeur 90

Plutonium 18, 19, 21, 120 Polo, Marco 85 Polyakrylnitril 122 Polyetylen 58 Polystyren 40 Polyuretan 40 Polyvinylklorid 36 Propeller 88, 90, 93, 94 Prop vifte 10 Pueblo-indianere 37 Pumpekraftverk 28 PVC 36 Pyke, Geoffrey 123 Pykritt 123

R Radar 41, 43, 44, 46, 82, 90 Radialdekk 76 Radio 61-63 Radioaktivitet 19, 105 Radiostråling 57, 59, 61, 66, 68 Radom 46 Raffinering 113-120 Rakettmotorer 10 Rakettvåpen 41-45 Rammeverk 34 Rapier-raketten 44, 45 Rastrering, av bilder 50 Reaksjonsspole 74 Reaktor, avansert gasskjølt 20 Reaktorbrønn 20 Reaktorer, kjernefysiske 20-23 Reaktorinneslutning 20 Regenerator 7 Reines, Robert 38 Reisverk 34 Rekognosering 46 Reléer 16 Renault, Louis 77 RMBK-reaktoren 21 Rocket, lokomotiv 69 Rombisk leddkobling 7 Romdrakter 104 Romfergen 11, 101, 102-103, 102-103, 104, 124 Romstasjoner 104 Romtransport 101-104 Rotasjonsmotorer 6, 10 Rotasjonspresser 52 Rotorblad 95 Rustfritt stål 117 Rutan, Burt 100 Rutan, Richard 100 Rørledninger 111 Råjern 116

s Salmiakk 11 Salt 111, 112, 120 Samkjøringsnett 16 Satellitter 56, 57 - kommunikasjon 68, 91 Saturn V 102 Savery, Thomas 5 Seilskip 86-87 Sekundærfarger 50 Selen 119 Selencelle 58 Selvbærende karosseri 78 Sement 115 Senefelder, Alois 47

Sentrifugalregulator 6 Servostyring 76 Sgt. York luftvernkanon 45 Shinaitoku Maru 86 Shinkansen 73 Sialoner 124 Signaler - digitale 56, 66, 66 - krominans 65 - luminans 65 - telefon 54-57 Sikorsky S76 95 Silisium 26, 124 Silisiumkarbid 106 Silisiumnitrid 124, 124 Sink 11, 112, 114 Sinter 116 Sjøvann 111 Skivebrems 77, 79 Skjermer, datamaskiner 49 Skrapjern 113, 117 Skrifttyper 49 Skrog, båter 88 Skumplast 40 Skyvkraft 10 Slagg 115,116 Sleperinger 12 Smarte kort 60 Smeltemetallurgi 113, 114 Smith, Francis Pettit 88 Solar One 27 Solceller 26, 26, 27 Solenergi 25, 25-28, 100, 120 Solfordampning 112 Soloppvarming 38, 39 Solovn 27 Solsamlere 27, 38 Sonar 90 Spacelab 101 Speil - dikroisk 64 - solfølgende 27 Spenning 16 Spider-undervannsbåt 91 Spilldamp 5 Spillvarme 14, 15 Sprengstoff, i gruvedrift 106 Sputnik 1 101 Starship 93 Statfjord B 110 Statorceller 74 Statorer 14 Statorspole 74 Steiling, fly 94, 100 Stempler 5, 6, 7, 70, 77 - slag 8, 9 Stephenson, George 69, 69 Stephenson, Robert 69 Stinger-raketten 45 Stirlingmotoren 7 Stirling, Robert 7 Stollgruver 106 Strontium 19 Strossedrift 106 Strowger, Almon B. 54 Strømavtakere 73 Strøm, elektrisk 16 Strømvender 12 Stråling 17 Styresystemer 41, 43 Styring, bil 76, 82, 94 Støtdempere 76 Støy - i radar 46 Stål 113, 116, 117 Sukkerrør 30 Superledende magneter 74 Sur nedbør 15 Sveiper 50

Svevespole 74 Svevetog 74, 74 Svinghjul 76 Svovel 15, 112 Svoveldioksid 15, 114 Swan, Joseph 13 Swingfire 43 Sykler 80-81 Sylindre 5, 6, 8, 70 Synkroniseringspulser 64

T Tak 34 Tannstangstyring 76 TAT-1 57 TAT-8 57 Tegl 34 Telefax 60 Telefoner 54, 62 - i bil 83 Telefonsentraler 54, 54-55 Telegraf 53, 53 Telegrafi 60 Teletext 65, 66 Telstar 68 Tennplugg 8 Terrengsykler 80 Thiobasillicus ferro-oxicans 112 Three Mile Island 21 Tidevannsenergi 28 Tilbakekobling 6 Titan 101, 121 Tog 69-74 Tokamak 24 Tornado 97 Total indre refleksjon 58 TOW-raketten 42 Train å Grande Vitesse 72-73 Transatlantiske kabler 56, 57 Transformatorer 16, 124 Transistorer 62 Transport 69-104 - kjernefysisk brensel 18 Trebygg 34 Treghetsnavigasjon 63, 90 Trekkmotorer 71, 72 Trevithick, Richard 69 Trinitron-skjerm 65 Trioder 62, 62 Tritium 24 Trommelbrems 77 Trykking 47-52 Trykkplater 52 Trykkpresse 47, 49, 52 Trykksverte 52 Trykksverte, i fargetrykk 50 Trykkvannsreaktorer 18, 20, 21 Trådløse sendinger 61 Tsiolkovsij, Konstantin E. 10 Tsjernobyl-ulykken 17, 21 Tungtvann 23 Turbina 7 Turbiner 6, 7, 14, 84, 89, 90, 124 Turbinhus 6 Turbinkompressor 10 Turbogeneratorer 17, 20 Turbojet 10, 96 Turbolading 79, 84 Turboprop 10, 10 Turbovifter 10, 10, 96, 96 Turtle 90 Typesetting 47-49 Tømmer, til bygging 34

u Ultrafiolett stråling 52 Undersjøisk kabel 16 Undervannsbåter 90-91, 90-91 Union Pacific 70 Uran 17, 18, 23, 120 Urananrikning 18 Uranheksafluorid 18 Uranylnitrat 18 Utkragning 34 U-verdi 40

V Vail, Alfred 53 Van der Rohe, Mies 35 Vandrebølgerør 57 Vannhjul 25, 28 Vannkraft 28, 29 Vardebrenning 58 Varmekraftverk 15 Varmestrøm 40 Varmevekslere 7, 32 Vector Tandem (sykkel) 81 Vekselstrøm 12, 14, 16, 71 Vekselstrømgenerator 12 Veksling 54, 62 Velosiped 80 Veltepetter 80 Ventilasjon 39, 107 Ventilsystemer 8, 84 Vertikalakslete vindmøller 29 Videosignaler 62 Vidikonrør 64 Viktoria 75 Vindenergi 28 Vindgårder 29 Vindmøller 28, 29, 38 Virkningsgrad 7, 9, 11 V-6-motor 8 Volta, Alessandro 11, 11 Voyager, fly 100 V-2-raketter 41, 101 Væskerakett 10, 102 Våtveismetallurgi 113, 119, 120, 120

W

Walschaerts ventilgir 70 Watt, James 6, 69 Wheatstone, Charles 53 Whittle, Frank 96 Will Rogers 91 Wolfram 105 Woolrich, John 13 Wright, Orville og Wilbur 93

X Xenon 1*9 X-7-raketten 41

Y Yeager, Jeana 100

z Zirkoniumlegeringer 18, 20, 23, 121