Supermateriaalit

10.09.2019 10:34 | Tapani Leppänen

Avaruus- ja ilmailuteollisuuden käyttämät erikoismateriaalit yhdistelevät keveyttä, kestävyyttä ja muita erikoisominaisuuksia. Siviilipuolella eturintamassa ovat myös urheilu- ja retkeilyvälineiden valmistajat. Nämä viisi supermateriaalia tulevat muuttamaan varusteitamme, elleivät ole sitä jo tehneet.

Titaani on kevytmetalli, joka vastaa lujuudeltaan terästä, mutta on lähes kaksi kertaa kevyempää. Se on painavampaa kuin alumiini, mutta niin paljon kestävämpää, että sama tuote voidaan valmistaa huomattavasti ohuemmasta materiaalista. Retkeilykäytössä titaania käytetään etenkin astioissa. Titaanikattila on pussiruokia pistelevän kevytretkeilijän valinta: arvokas mutta pitkäikäinen hankinta, jonka avulla repusta viilataan viimeisiä grammoja. Ominaisuuksiltaan se sopii paremmin veden keittämiseen kuin varsinaiseen ruoanvalmistukseen. Ohut pohja ja heikko lämmönjohtokyky ovat yhdistelmä, joka saa ruoan palamaan herkästi pohjaan.

Avaruus- ja ilmailuteollisuuden käyttämät erikoismateriaalit yhdistelevät keveyttä, kestävyyttä ja muita erikoisominaisuuksia

Hiilikuitu ymmärretään arkikielessä komposiittina, joka sisältää hiiliatomeista koostuvan kuidun lisäksi sidosaineena käytettävää epoksihartsia. Rakenteen etuna on sen lujuus suhteessa painoon. Tuotteiden valmistuksessa hiilikuitu mahdollistaa vastaavan jäykkyyden vain viidenneksellä teräksen ja noin puolella alumiinin painosta. Suunnittelijan pöydällä hiilikuitu on rajattomasti muotoiltavissa ja sen jäykkyysominaisuuksiin voidaan vaikuttaa kuidun suuntaa vaihtelemalla. Esimerkiksi polkupyörän rungossa kiertojäykkyyteen sadaan yhdistettyä ajomukavuuteen vaikuttavaa pystysuuntaista joustoa. Urheiluvälineteollisuus kuuluu hiilikuidun suurkuluttajiin. Polkupyörien lisäksi materiaali on tuttu mm. sauvoista ja yhä useammin myös suksista ja hiihtokengistä.

Grafeeni on yhden atomikerroksen paksuinen hiilirakenne, joka onnistuttiin erottamaan grafiitista vuonna 2004. Manchesterin yliopistossa työskennelleet tutkijat palkittiin keksinnöstään Nobelin fysiikanpalkinnolla vuonna 2010. Grafeenia on kutsuttu maailman ohuimmaksi (miljoona kertaa ohuempi kuin hius), maailman vahvimmaksi (200 kertaa vahvempi kuin teräs) ja maailman ensimmäiseksi kaksiulotteiseksi materiaaliksi. Paitsi kestävää, grafeeni on joustavaa ja venyvää. Vaikka materiaalin hyödyntäminen on ollut laboratorioasteella, siitä on puhuttu monilla teollisuudenaloilla jopa muovin tai raudan keksimiseen verrattavana mullistuksena. Hieman yllättäen yksi ensimmäisistä kaupallisista sovelluksista löytyy kenkäkaupasta.

Dyneema on erittäin korkean molekyylipainon omaava polyeteeni, jota kutsutaan maailman vahvimmaksi kuiduksi. Se on ominaisuuksiltaan lähes venymätön ja painoonsa nähden 15 kertaa kestävämpi kuin parhaat teräkset. Erikoisominaisuuksilla varustettuja synteettisiä kuituja on muitakin. Usein ne tunnetaan kauppanimillään, kuten aramidi eli aromaattinen polyamidi Kevlarina tai armomaattinen polyesteri Vectran-kuituna. Kaikkia mainittuja käytetään yleisesti mm. köysimateriaaleina sekä lujuutta vaativissa suojavarusteissa. Retkeilijöiden tuntema Dyneema-kangas (aiemmalta nimeltään Cuben Fiber) on komposiittimateriaali, jossa Dyneema-kuitu on laminoitu kahden polyesterikerroksen väliin. Lopputulos on kevyempää kuin ohuimmat Silnylon-kankaat, mutta vahvempaa kuin Kevlar. Vedenpitävästä Dyneema-kankaasta valmistetaan mm. ultrakevyitä telttoja ja reppuja.

Aerogeeli ei paina juuri mitään, sillä yli 95 % sen tilavuudesta on tyhjää. Maailman kevyimpänä aineena ja tulevaisuuden supereristeenä pidetty materiaali on mikrohuokoista silikaattivaahtoa, jota kutsutaan myös kiinteäksi savuksi. Aerogeeli on tunnettu 1930-luvulta ja sitä on käytetty mm. avaruusalusten ja -pukujen eristeenä. Kalliit valmistuskustannukset ovat rajoittaneet sen yleistymistä, mutta läpimurto alkaa olla käsillä. Aerogeelistä riittää puhetta

tulevaisuuden rakennuseristeenä, mutta keveys ja eristävyys ovat taikasanoja myös retkeilyvälineteollisuudessa. Vaatteiden ja makuupussien eristeenä aerogeelin ongelmana on sen liukeneminen veteen. Eriste on suojattava kosteudelta, minkä vuoksi sitä käytetään toistaiseksi paikoissa, joissa hengittävyys ei ole välttämätöntä. Tällaisia ovat esimerkiksi talvikengät, -pohjalliset ja käsineet.