Från muskel till motor Jan Hult och Lars Paulsson

Transkript

1 Från muskel till motor Jan Hult och Lars Paulsson ENERGI AV OLIKA SLAG Energi är ett viktigt begrepp i tekniken och i vardagslivet. Uttrycket kommer av det grekiska energeia, härlett av ergon som betyder arbete. Energi betyder helt enkelt förmåga att uträtta arbete. Energi kan omvandlas till olika former, till exempel mekanisk, elektrisk, kemisk energi, värmeenergi. Maskinhallens alla vattenhjul, vattenturbiner, ångmaskiner, elmotorer och förbränningsmotorer är exempel på energiomvandlare. En motor är en maskin som omvandlar någon form av energi till mekaniskt arbete. Den används för att driva en annan maskin, få den att röra sig. Ett vattenhjul driver en kvarn. En ångmaskin driver ett järnvägslok. En elmotor driver en hiss. En bensinmotor driver en bil. Varifrån kommer då denna energi, som driver hela vår värld? Nästan all energi som utnyttjas på jorden kommer ytterst från solens strålning. Den skapar flera olika slag av energikällor. 1) Solvärmen får vatten att avdunsta från hav och sjöar och från markytan. Det samlas upp i molnen, transporteras med vinden och faller ner som regn eller snö. En del faller i höglänt terräng och samlas upp i sjöar och älvar och bäckar. När vattnet sedan rinner ner och bildar vattenfall, omvandlas dess lägesenergi till rörelseenergi. Denna kan tillvaratas av vattenhjul, som driver kvarnar, eller av vattenturbiner, som driver elgeneratorer och ger ström till elmotorer och andra elförbrukare. Vattnets ständiga kretslopp ställer en ständigt förnybar energikälla till människans förfogande. 2) Solvärmen ger också upphov till strömmar i lufthavet, vindar av varierande styrka. Vindens rörelseenergi har utnyttjats sedan urminnes tider i segelfartyg. Gamla tiders väderkvarnar är föregångare till våra dagars vindkraftverk som driver elgeneratorer. 3) Solens ultravioletta strålning omvandlas i växter och djur till biokemisk energi, som lagras bunden i cellerna. Denna energi kan sedan, omedelbart eller efter årtusenden, i olika former, utnyttjas av människan. Ved kan användas för att värma mat, stenkol kan användas som bränsle i ångmaskiner och bensin som bränsle i bilmotorer. Kärnkraften (som hellre borde kallas kärnenergin) är en energikälla av helt annat slag. 1

2 Den fylls inte på av solstrålningen, och den inger många människor oro. Alla de andra energikällorna har utvecklats efter hand från tidiga, primitiva förstadier. Genom omfattande praktiska erfarenheter och systematiska prov har enkla konstruktioner med tiden kunnat göras mer effektiva, få en allt högre verkningsgrad. Kärnenergin som energikälla har i stället, först i vår egen tid, utvecklats ur forskningsverksamhet i kärnfysikers laboratorier. Medan vattenkraft och vindkraft har utnyttjats i långt över över tusen år, finns praktiska erfarenheter av kärnkraften bara från de senaste 50 åren. De första vattenhjulen gjorde ett mäktigt intryck på människor. Här såg de en maskin som arbetade av sig själv utan hjälp av människor eller av åsnor eller oxar. Det gav med tiden upphov till idéer om andra maskiner som också gick av sig själva. Drömmen om evighetsmaskinen har följt människosläktet genom århundradena. Det finns bilder av evighetsmaskiner där vattenhjul ständigt pumpar vattnet tillbaka, så att det kan fortsätta att driva vattenhjulet. Under 1700-talet kom evighetsmaskiner som byggde på magnetismen och senare kom sådana som utnyttjade elektriciteten. Ännu i vår egen tid kommer nya idéer om evighetsmaskiner, trots att fysikerna för länge sedan insett att energi inte kan skapas ur intet. Men genialiska uppfinnare ger sig inte så lätt Ett modernt samhälles välstånd bestäms till stor del av tillgången på energi. Energikriserna (oljekriserna) på 1970-talet blev omskakande händelser. Ett lands energiförsörjning är inte en fråga bara för ingenjörer. Den angår hela folket. Därför hade vi en folkomröstning 1980 om framtida energisystem i Sverige. TRAMPHJUL OCH HÄSTVANDRINGAR enom människans hela historia går en strävan efter metoder att underlätta det egna muskelarbetet eller föra över det på djur eller maskiner. Man lastade bördor på åsnor och man spände oxar och hästar för plogar och vagnar. Djur togs senare också i bruk som energikälla på andra sätt. Lyftkranar kunde drivas av djur även av människor som gick i tramphjul. Sådana användes bland annat för malmuppfordring ur gruvor, ett mycket tungt arbete. Ännu in på 1900-talet förekom i Sverige hästvandringar för att driva olika anordningar, särskilt i lantbruket. En häst gick runt i cirkel selad till en roterande arm, som härigenom drev en axel. Med en kuggväxel överfördes denna rörelse till en horisontell axel, som i sin tur kunde driva till exempel ett tröskverk. För att kunna jämföra olika energikällor anger man deras effekt. Den är ett mått på den energimängd som kan presteras under en viss bestämd tid. Ett gammalt mått på effekt är hästkraft, betecknat hk. Detta mått infördes av James Watt i hans arbete med att förbättra ångmaskiners prestanda. Det var då naturligt att jämföra ångmaskinens effekt med vad som kunde presteras av hästar, som ofta användes vid denna tid. Men Watt överskattade hästarnas arbetsförmåga. Mer noggranna mätningar har visat att en häst kan prestera högst 0,8 hk i kontinuerligt arbete. En människa i ett tramphjul orkar knappast mer prestera än 0,1 hk i kontinuerligt arbete. Ett stort tramphjul från 1520 finns ännu bevarat på vinden till Storkyrkan i Stockholm. 2

3 Hästvandring vid Grufris gruvor, Västmanland. Foto Med 2 4 personer gående i detta hjul kunde man lyfta upp byggnadsmaterial på kg. Tramphjul användes bland annat i svenska gruvor ända mot slutet av 1800-talet. Ekorrhjul en miniatyrform av tramphjul brukade förr visas upp på marknadsplatser. Tramphjul har tidigt använts för konstbevattning i bland annat Mesopotamien. Metoden var att förse ett stort vertikalt hjul med lerkrukor runt omkretsen. Hjulet hade också trampsteg på insidan eller utsidan. Hjulet doppade ner i en vattensamling. När det sattes i rörelse av en trampare fördes krukorna, en efter en, ner i vattnet och fylldes. När de sedan nådde övre läget, tömdes de i en ränna, varifrån vattnet kunde föras ut på åkerfältet. Från denna maskin var steget inte långt till den självgående maskin, noria, som blev föregångaren till senare tiders vattenhjul. I ett strömmande vattendrag kunde man nämligen få maskinen att bli självgående genom att förse hjulet med utskjutande skovlar mellan de olika krukorna. Hjulet drevs då automatiskt runt av vattenströmmen, och ingen trampkraft behövdes. Fynd i Syrien och flera andra länder visar att norian var använd för konstbevattning redan på 200-talet f Kr, sannolikt långt tidigare. 3

4 Tramphjul och noria, människans första större maskiner för energiomvandling, var normalt byggda helt i trä. Därför är det svårt att nu veta något om deras tidigaste former och storlekar. VATTENMOTORER Ett vattenflöde är en form av energikälla, som kan utnyttjas för att driva en motor. Olika sätt att utnyttja strömmande vattens energi har utvecklats under århundraden. Än i dag står vattenkraften (egentligen vattenenergin ) för en stor del av energiförsörjningen i Sverige och många andra länder. En stillastående vattensamling representerar i sig en bestämd energimängd, bestämd av höjdläget. Denna lägesenergi kan omvandlas till rörelseenergi genom att vattnet tappas av och börjar strömma med en viss hastighet. Dessa olika energiformer omvandlas i olika slag av vattenmotorer till mekaniskt arbete eller till andra energiformer, vanligen elektrisk. Skvalta och vattenhjul Att mala brödsäd har genom tiderna varit en viktig uppgift i varje jordbrukssamhälle. För en självförsörjande bondefamilj har ofta en enkel handkvarn kunnat vara tillräcklig. Men med tilltagande urbanisering och med allt fler människor i annan verksamhet behövs kvarnar med större kapacitet. För att förse en armé med bröd krävs en annan teknik än malning för hand. Arkeologiska fynd från romersk tid visar att två huvudtyper av kvarndrift med vattenkraft utvecklades, båda för malning mellan roterande stenar: 1) Skvaltkvarnen eller skvaltan. Detta är den enklaste konstruktionen av vattendrift. På en vertikal axel sitter nedtill ett skovelhjul som träffas av en vattenstråle snett uppifrån. Axelns övre ände går fritt genom den undre, stillastående, av de två kvarnstenarna ( liggaren ) och är fäst i den Sundhagsforsen, Skillingmark, Värmland. 4

5 övre ( löparen ). Avståndet mellan de två kvarnstenarna kan justeras. Konstruktionen är enkel och en skvaltkvarn kunde därför ofta byggas av bonden själv. Skvaltkvarnen är troligen den äldsta formen av vattendrift för malning. Den började användas i Sverige på 1100-talet. 2) Hjulkvarnen. Denna drivs av ett vattenhjul med horisontell axel (ett vertikalt vattenhjul ). För att överföra axelns rörelse till de horisontella kvarnstenarna behövs en kuggväxel. Hjulkvarnen är en betydligt mer avancerad konstruktion än skvaltkvarnen. Kvarnbyggare var specialiserade hantverkare, ett slags föregångare till senare tiders maskiningenjörer. Vertikala vattenhjul finns av två huvudtyper: b) Underfallshjul vattnet sprutar horisontellt mot hjulets nedre del. Här är det vattenströmmens rörelseenergi som driver hjulet runt. a) Överfallshjul vattnet tillförs vid övre änden av hjulet. Här är det tyngden av vattnet, dess lägesenergi, som utnyttjas och i regel långsamt driver hjulet runt. Det förekommer också mellanformer mellan dessa två grundtyper, så kallade bröstfallshjul. Här strömmar vattnet mot vattenhjulet i höjd med axeln. Både lägesenergi och rörelseenergi utnyttjas. Hjulkvarn 5

6 Avbildning av hjulkvarn från 1100-talet. Denna stångång (längd meter) vid Timansberg i Västmanland uppfördes och var i drift till Foto Tekniska museets arkiv. 6

7 De första skriftliga källorna som beskriver vattenhjul är från 100-talet f Kr Skvaltan och underfallshjulen var tidigast, överfallshjulen kom först på 300-talet e Kr Vattenhjulstekniken spreds i Europa under tidig medeltid. I den urbanisering som inträffade i stora delar av Europa under medeltiden kom hjulkvarnen att få stor betydelse för folkförsörjningen. Kunskapen om denna nya teknik spreds till viss del genom klosterväsendet. Den katolska kyrkans kloster var i allt väsentligt materiellt självförsörjande enheter. Det mesta som behövdes skulle framställas inom klostret. Sålunda utvecklades inom klosterordnarna teknik för vattenförsörjning, mjölmalning, osv. När munkar sändes ut för att grunda nya kloster, ofta i mindre utvecklade delar av landet, förde de med sig kunskaper om nya teknikområden. Vertikala vattenhjul började snart också att tas i bruk som energikälla för drift av blåsbälgar vid järnframställning i masignar, av hammare i järnmanufaktur, av klädstampar i yllefabrikation, vid tråddragning, etcetera. Det engelska ordet för kvarn ( mill ), används även för dessa andra verksamheter ( steel mill, textile mill ). Kvarnen blev den primära produktionsmaskinen i den förindustriella utvecklingen. Vattenhjulen markerar en viktig brytpunkt i teknikhistorien. Vid gruvor och bergverk, anlades också, där så var möjligt, vattenhjul för drift av gruvspel och pumpar. Men oftast fanns ingen fors just intill gruvan eller bergverket. Vattenhjulet fick anläggas längre bort. För att föra fram energin från vattenhjulet använde man så kallade stånggångar, ett system för energitransport bestående av fram- och återgående stänger, upphängda på rörliga galgar. De hade börjat användas vid tyska bergverk redan under 1400-talet. I Sverige började de införas på talet. En sådan energitransport kunde gå flera kilometer, men ofta med stora energiförluster på vägen, bland annat på grund av friktion. Man har uppskattat energiförlusten till procent per kilometer. Stånggångstekniken kom på vissa håll att leva kvar långt in på 1800-talet. Vid Grängesbergs gruva byggdes på 1870-talet ett system för energitransport bestående av sju kilometer stånggångar. Christopher Polhem ( ), som var konstmästare ( överingenjör ) vid Kopparberget i Falun, experimenterade med förbättringar av både vattenhjul och stånggångar. Han konstruerade bland annat stånggångar som böjde av i vinkel. Han gjorde vidare systematiska undersökningar för att jämföra effektiviteten hos olika typer av vattenhjul. Han konstruerade också ett maskineri ( Machina Nova ) för att lyfta upp tunnor med malmstycken ur gruvan, som blev mycket omtalat. I stället för linor användes här upp- och nergående stänger med hakar, som steg för steg flyttade malmtunnor upp ur gruvan till markytan. I England gjorde John Smeaton ( ) ytterligare undersökningar av vattenhjul, som fick stor betydelse i den tidiga industrialiseringen. Vattenhjulets, vattenkraftens, betydelse i den svenska industrialiseringen framgår av namnen på många bruksorter: Bofors, Degerfors, Forsbacka, Forsmark, Hofors, Hällefors, Söderfors. Vattenhjulen drev ofta stångjärnshammare, vilket gett andra namn åt svenska bruksorter: Hallstahammar, Hammarby, Morgårdshammar, Östhammar. 7

8 Christopher Polhems experimentmaskin för att undersöka effekten hos olika typer av vattenhjul.till höger i maskinen kunde vattenhjulen placeras i olika höjd och till vänster kunde vattenrännan ställas in i olika vinklar. Bild Tekniska museets arkiv. Vattenturbiner Vattenhjulsteknologin var i allt väsentligt en träteknologi, i stora drag oförändrad sedan medeltiden. Nästa utvecklingssteg blev olika typer av vattenturbiner, byggda i järn eller stål. Också här är det fråga om att driva en roterande axel med hjälp av strömmande vatten, men med betydligt högre verkningsgrad, det vill säga med mindre energiförluster. Vattenturbinen roterar snabbare än vattenhjulet. Maskineriet är helt inkapslat; vattnet leds fram till turbinen genom en tilloppstub och styrs av fasta eller inställbara ledskenor. Man skiljer mellan reaktions- och aktionsturbiner, radial- och axialturbiner, allt beroende på vattnets strömning i turbinen. Sex huvudtyper av vattenturbiner har utvecklats från 1820-talet och nära hundra år framåt. Fallhöjd och vattenmängd avgör vilken typ som är mest lämpad i varje enskilt fall. a) Ponceletturbinen (1826) är en övergångsform mellan vattenhjul och rena turbiner. b) Fourneyronturbinen (1827) var den första egentliga vattenturbinen. Den har fasta ledskenor i mitten som driver vattnets ut mot löphjulets snedställda skovlar. Används bland annat för kvarndrift. c) Francisturbinen (1840), har likheter med Ponceletturbinen, Här strömmar vattnet radiellt inåt mot det roterande löphjulet. Denna turbintyp hade tidigare en dominerande användning i svenska vattenkraftverk och vid sågverk. 8

9 Löphjul till kaplanturbin för Lilla Edets Kraftverk under bearbetning vid Verkstaden i Kristinehamn, cirka Foto Tekniska museets arkiv. d) Jonvalturbinen (1843) med ledskenor placerade ovanför löphjulet har axiell vattenströmning. e) Peltonturbinen (1870) är närmast en avancerad vidareutveckling av den gamla skvaltan. En vattenstråle sprutas med hög hastighet mot skålformade skovlar i periferin på turbinhjulet, som går med mycket högt varvtal. Denna turbintyp är speciellt lämpad för höga fallhöjder med måttlig eller låg vattenföring. Den är mindre vanlig i Sverige. f) Kaplanturbinen (1912) haraxiell vattenströmning och ställbara skovlar och ledskenor. Lämpad för låga fallhöjder och låg vattenföring. Den första svenska Kaplanturbinen installerades 1926 i Lilla Edets kraftverk i Göta Älv. Varianter på dessa grundtyper har senare utvecklats, bland annat Kaplanturbiner med horisontell axel för användning i kraftverkstunnlar. Här är generatorn innesluten i ett vattentätt hölje. I jämförelse med vattenhjulen har moderna vattenturbiner en mycket 9

10 hög verkningsgrad (små effektförluster). I Sverige är Kværner (tidigare: Karlstads Mekaniska Werkstad) en ledande tillverkare av vattenturbiner, speciellt av Kaplantyp. Under 1800-talet användes vattenturbiner i ökande utsträckning i stället för vattenhjul för direkt drift av kvarnar, sågar och mekaniska verkstäder (drivning av remtransmissioner). Mot slutet av seklet började turbiner att användas för att generera elenergi. Den första hydroelektriska anläggningen i Sverige togs i bruk 1882 vid Rydahls bomullsspinneri. De stora kraftverksbyggen i statlig regi som inleddes med Trollhättan 1910 och sedan fortsattes med Porjus 1914 och Älvkarleby 1915 fick stor betydelse i Sveriges pågående industrialisering. Genom allt fler högspänningsledningar med trefas växelström levererades elenergi till industrier, järnvägar och hushåll i stora delar av landet. Vattenkraftutbyggnaden fortsatte i ökat tempo ända fram till början av 1970-talet. Ett antal stora kraftverk byggdes i bland annat Indalsälven (till exempel Bergeforsen), Ångermanälven (till exempel Kilforsen), Umeälven (till exempel Stornorrfors) och Luleälven (till exempel Harsprånget, Messaure, Vietas och Ritsem). En omfattande elektrifiering skedde inom industri, jordbruk, järnvägsdrift och hushåll. Varje svensk hade år 1914 tillgång till i genomsnitt 30 watts eleffekt, det vill säga lika mycket som krävs för att hålla en glödlampa brinnande dag och natt. År 1970 hade tillgången ökat till 940 watt per person, det vill säga mer än 30 gånger mer. Utbyggnaden av älvarna för vattenkraftstationer mötte till en början nästan inget motstånd från lokalbefolkningen. Visserligen kunde fisket komma att försämras och en del åker- och ängsmark att läggas under vatten, men elektrifieringen sågs över lag som något värdefullt. Inte ens när man 1919 lade en del av Stora Sjöfallets nationalpark i Norrbotten under vatten genom ett stort dammbygge vid Suorva blev det särskilt stora protester. På 1970-talet hade inställningen blivit en annan och mer kritisk. Porjus kraftverk i Luleå älv byggdes Foto Tore Sjöholm

11 Elekrifieringen av Sverige kom att sammanfalla med det stora folkhemsbygget. Elektriskt ljus, elspis, kylskåp och elektriska hushållsmaskiner kom in i hushållen. Ett allt starkare miljöengagemang gjorde att riksdagen 1972 beslöt att undantaga de tre kvarvarande orörda Kalix Älv, Pite älv och Vindeläven från kraftverksbyggen. Den genomgripande elektrifieringen av Sverige kom till stor del att sammanfalla med det stora folkhemsbygget. Elektriskt ljus, elspis, kylskåp och dammsugare kom att finnas i allt fler hushåll, i tätorter och på landsbygden. Med elektriciteten och glödlamporna kom ljus över landet'. De moderna folkbiblioteken växte fram när allt fler hade fått möjlighet att läsa böcker efter arbetsdagens slut. Den elektriska revolutionen hjälpte folkrörelserna att sprida sina budskap. VINDMOTORER Vinden som energikälla har utnyttjats långt före det strömmande vattnet. Sumeriska båtar med segel har daterats till omkring 3500 f Kr Större segelfartyg var vanliga i medelhavsområdet redan vid vår tideräknings början. Liksom med vattenkraften utnyttjades vindkraften först till att driva mjölkvarnar, men även som energikälla för vattenpumpar vid konstbevattning eller vid dränering. Man har länge ansett att de första väderkvarnarna byggdes i perserriket under 700-talet. Denna typ hade en vertikal axel och påminde i funktionen om skvaltkvarnen. Senare forskning gör gällande av typen tidigare hade utvecklats i Kina. Vertikalaxlade väderkvarnar kom att leva kvar i begränsad omfattning under flera århundraden. Den typ av väderkvarn som kom att dominera den fortsatta utvecklingen i Europa är av annan grundkonstruktion. Från en horisontell axel med vanligen fyra vingar överförs rörelsen till den övre av två kvarnstenar genom en kuggväxel. Två olika system 11

12 Amerikanska vindmotorer importerades till Sverige i slutet av 1800-talet och i början av 1900-talet. Omslag till katalog från Bild Tekniska museets arkiv. utvecklades för att hålla den horisontella axeln i vindriktningen: antingen vreds hela kvarnhuset (kallad stubbamölla i Sverige) eller bara den övre delen (kallad hättekvarn i Sverige). Dessa slag av vindkraftmaskiner eller vindmotorer är dokumenterade i Europa från 100-talet. Användningsområden var förutom malning av brödsäd, vattenpumpning vid torrläggning av landområden (redan under 1200-talet i Holland) eller drift av sågar och uppfordringsverk. I Sverige finns belägg om användning av vindmotorer från 12

13 1300-talet. Vanligaste användning var som mjölkvarn, men även som sågkvarn eller drifkraft till gruvpumpar. Teoretiska studier av vindmotorers funktion och effektivitet gjordes på 1700-talet av samme John Smeaton som arbetat med förbättring av vattenhjulens effektivitet. En ny typ av vindmotor, främst avsedd för dränerings- och bevattningspumpar i jordbruket, kom att få stor användning i USA under 1800-talets senare del. I stället för fyra vingar hade dessa vindmotorer små vingar av plåt längs omkretsen av ett hjul med 1 3 meters diameter. Man talade om vindhjul. Snart sagt varje större bondgård i USA hade en eller flera sådana industriellt tillverkade pumpar. Även i Tyskland fick de stor användning. Samma typ av vindmotor kom mot 1800-talets slut att också användas för att driva elgeneratorer, dels för belysning, dels för drift av olika arbetsmaskiner. I Danmark, som saknar både vattenkraft och egna koltillgångar, kom vindkraftdrivna elverk att tidigt få stor betydelse. Betydelsefull forskning om vindkraft, som delvis var statsunderstödd, leddes i Danmark av Poul La Cour ( ), en Näsuddens vindkraftverk på södra Gotland uppfördes 1983, och moderniserades Foto Hans Blomberg. 13

14 internationellt uppmärksammad pionjär på området. Han såg vindkraften som basen i en kommande elektrifiering av Danmark. Ett av de grundläggande problem var att kunna reglera vindmotorns hastighet, så att den blev mindre beroende av vindstyrkan. La Cours regulator löste detta problem på ett tillfredsställande sätt. Ett annat problem gällde att kunna magasinera energi så att elförsörjningen inte upphörde vid perioder av vindstilla. La Cour ansåg att den vanliga metoden med blyackumulatorer som laddades av vindmotorn var alltför dyrbar. Han prövade i stället med en annan elektrokemisk metod. Vid elektrolys av vatten bildas syrgas och vätgas, som vid blandning bildar knallgas. Denna kan antändas och ger en mycket het låga. Vindenergin kan således, via elenergi, omvandlas till värmeenergi. La Cour hade idéer om att på detta sätt kunna utveckla belysning och gassvetsning och till och med bygga en förbränningsmotor driven av knallgas. Men det var svårt att få fram material som klarade den höga temperaturen vid knallgasförbränningen. Med hjälp av ett större statsanslag byggde La Cour en försöksanläggning vid Askovs folkhögskola för att praktiskt prova sina olika idéer. Här prövade han flera olika typer av vindturbiner, bland annat en med nära 23 meters diameter. Forskningen om vindkraften pågick med stor kraft så länge La Cour levde, men kom efter hans bortgång att avmattas för att helt upphöra efter en tid. Som en direkt följd av oljekriserna på 1970-talet kom forskning och utveckling om vindkraft att tas upp i stor skala i många länder. Danmark intog här snart återigen en framskjuten position. Industriell tillverkning av vindkraftverk startades i Danmark, där vindkraften vid mitten av 1990-talet kom att uppgå till 2,4 procent av den totala elproduktionen. I Sverige uppfördes 1977 en försöksanläggning vid Älvkarleby, varefter två större vindkraftverk byggdes, ett på Gotland (Näsudden) och ett i Skåne (Maglarp). Vindkraftutbyggnaden har sedan i lägre takt inriktats på ett fåtal små och medelstora anläggningar. Problemen med stora variationer i vindstyrka från tid till annan, kan i dag delvis bemästras på annat sätt än tidigare. I de flesta länder sker distribution av elenergi i ett sammankopplat nät som täcker hela landet. Energi matas in i nätet från ett antal olika kraftverk och tas ut av förbrukare på ett stort antal andra ställen. Leveransen från kraftverken kan variera i tiden av olika skäl, och abonnenternas förbrukning kan också variera i tiden. Rent statistiskt utjämnas ofta verkan av sådana slumpvisa variationer och elsystemet kan då fungera utan betydande störningar. Problemet med energilagring i stor skala är emellertid fortfarande av grundläggande betydelse. La Cours idé med elektrolys av vatten är lika aktuell nu som för hundra år sedan. Solstrålningen i Sahara skulle kunna nyttiggöras med solceller för att driva elektrolys av vatten. Knallgasen skulle sedan kunna driva värmekraftverk på platsen, varefter högspänd elenergi kunde distribueras till övriga delar av Afrika. Forskningen om vindkraftverk har lett fram till en typ av vindturbin, som starkt avviker från de klassiska väderkvarnarna och vindhjulen. Rotorn har i regel bara två blad. Den 14

15 ställs automatiskt in i vindriktningen, och rotorbladen kan också vridas så att största möjliga effekt tas ut av vinden vid variationer i vindstyrkan. Liksom med mycket ny teknik gäller även för vindkraften att den inte är helt oomstridd som energikälla. Vindkraftverken kan upplevas som estetiskt störande i landskapsbilden. De kan också förorsaka ett starkt störande ljud. Mycket talar dock för att vindkraften kommer att fortsätta att utvecklas. VÄRMEMOTORER Den i vår tid mest betydande typen av motorer är värmemotorerna. De omvandlar värmeenergi till mekaniskt arbete. Värmet kan tillföras antingen från en yttre värmekälla, till exempel en ångpanna, eller från en förbränning inuti maskinen själv. I det förra fallet talar man om ångmaskiner (kolvångmaskiner eller ångturbiner), i det senare om förbränningsmotorer (kolvmotorer eller gasturbiner). Av båda slagen finns olika konstruktionstyper med olika slag av prestanda. Ångmaskiner Med ångmaskinen inleddes en helt ny fas i industrins utveckling. Här hade man nu en energikälla som kunde placeras där man önskade. Man var inte längre, som för vattenkraften, bunden till närheten av ett vattenfall. Man var inte heller beroende av klimatiska förhållanden; ett vattendrag kunde frysa om vintern eller torka ut under ett torrår, vinden var inte alltid att lita på. En föregångare till ångmaskinen var den enkla ångturbin som konstrueratdes av den grekiska matematikern Heron i Alexandria (slutet av första århundradet e Kr). En kulformad vattenbehållare med två utloppsrör roterade runt två axeltappar. Den kunde sättas i rotation genom att elda under kulan. Ånga strömmade då ut genom Herons Aelopil eller "ångkula". Bild Tekniska museets arkiv. 15

16 rören; den nutida beteckningen är reaktionsturbin. Herons ångkula kom dock inte att få någon som helst betydelse för den fortsatta utvecklingen av tekniken. Den kan snarast betecknas som en leksak. Även om den, med dåtidens tekniska förutsättningar, skulle ha kunnat byggas i stort format, fanns inget behov av en sådan arbetsmaskin. Det fanns gott om slavar för att utföra mekaniskt arbete. Leonardo da Vinci ( ), den store renässansingenjören, skisserade flera olika användningar av ångkraften. Men hans ritningar och anteckningar blev aldrig allmänt bekanta, och de glömdes snart bort efter hans död. Först i vår tid har de återfunnits men nu har hans idéer inte längre någon betydelse. De är sedan länge överspelade av den tekniska utvecklingen. Andra idéer om kraftmaskiner lanserades under och 1600-talen i bilder av bland annat den italienske ingenjören Giovanni Branca ( ), men också här gäller att dessa idéer stannade på papperet. Kolvångmaskiner En avgörande upptäckt, gjord på 1600-talet, var att människan på jorden lever på botten av ett lufthav, som utövar ett tryck på allt och alla. Den brittiske teknikhistorikern Donald Cardwell betecknar denna upptäckt som en av de mest bisarra som någonsin gjorts. Upptäckten av atmosfären och atmosfärstrycket kom att bli startpunkten för utvecklingen av den första tekniskt betydelsefulla ångmaskinen. Storleken på lufttrycket kallades tidigare en atmosfär. Man införde senare i stället beteckningen en bar. Med det internationella måttsystem som används nu säger man att normalt atmosfärstryck är ungefär 100 kpa ( kilopascal ). Lufttrycket i ett bildäck är normalt cirka 200 kpa, det vill säga dubbla atmosfärstrycket. Borgmästaren i den tyska staden Magdeburg, Otto von Guericke ( ), visade genom sina berömda experiment med två halvklot av koppar, som hölls ihop av det omgivande lufttrycket sedan luften pumpats ur, att atmosfärstrycket kunde utnyttjas för att åstadkomma stora krafter. Ett annat experiment gjordes med en cylinder med en rörlig, tättslutande kolv. När luften pumpades ur cylindern, trycktes kolven in med stor kraft. Detta ledde till tanken att med hjälp av undertryck i en cylinder kunna utnyttja atmosfärstrycket för att driva en maskin. Den holländske fysikern Christiaan Huygens ( ) och hans assistent, den franske läkaren Denis Papin ( ) hade idén att låta en krutladdning förbrinna inne i en cylinder med en rörlig kolv. Tanken var att ett undertryck skulle uppstå efter förbränningen varmed kolven skulle tryckas in i cylindern av det utvändiga atmosfärstrycket. Deras experiment visade att detta inte fungerade och idén övergavs. Men Papin fortsatte sitt experimenterande, nu med vatten i stället för krut i cylindern. Cylindern upphettades, vattnet kokade, och cylindern fylldes med ånga. När cylindern sedan avkyldes och ångan kondenserades, drogs kolven in i cylindern. Denna upptäckt, att framkalla kraft ur intet, kom sedan att vidarebefordras till den engelske naturforskaren Robert Hooke, sekreterare i den brittiska vetenskapsakademien Royal Society. Han förde den vidare till Thomas Newcomen ( ), som arbetade med att 16

17 utveckla en metod att kunna länspumpa vattensjuka gruvor. Tillsammans med en mekaniker, John Calley, konstruerade Newcomen den första ångmaskinen, baserad på denna princip, och därför kallad atmosfärisk. Den stod färdig 1712 vid Dudley Castle i Staffordshire. Detta är ett viktigt årtal i teknikhistorien. Några år tidigare hade Thomas Savery ( ) i England utvecklat en annan variant av gruvpump, som också byggde på principen att framställa undertryck genom att kondensera ånga i ett kärl. Saverys maskin, kallad Miner s Friend (gruvarbetarens vän), var helt utan rörliga mekaniska delar. Genom att växelvis stänga och öppna ventiler i förbindelser mellan två kärl, som växelvis fylldes med ånga och sedan kyldes, åstadkom man en pumpeffekt. Savery lyckades få patent på denna uppfinning av en metod att pumpa upp vatten med hjälp av eld. Detta patent blev länge ett hinder för utvecklingen av Newcomens maskin. Saverys maskin höll inte vad uppfinnaren lovade, och den kom inte att få någon större användning annat än som pump för mindre fontäner. Det blev i stället Newcomens maskin som blev den direkta föregångaren till alla kommande kolvångmaskiner. Ångmaskinen var alltså först avsedd att användas för att pumpa vatten ur gruvor. Man ville åstadkomma en upp- och nergående rörelse hos pumpstänger, vilket ledde till en konstruktion med en horisontell balansbom ovanför maskinen. I dess ena ände hängde pumpstången, i den andra hängde kolven som rörde sig i cylindern. När ånga leddes från ångpannan in i cylindern drogs kolven uppåt av balansbommen genom pumpstångens tyngd. Sedan cylindern fyllts med ånga stängdes ångtillförseln av med en ventil, varefter kallt vatten sprutades in i cylindern. När ångan då kondenserades, uppkom ett undertryck i cylindern, och atmosfärstrycket drev kolven nedåt i cylindern. Härmed lyftes pumpstången uppåt och en viss mängd vatten fördes upp. Ångventilen öppnades igen, och processen kunde upprepas. Redan i tidiga utföranden av Newcomens maskin automatiserades ventilrörelserna för ångtillförsel och insprutningen av kallvatten. Newcomens ångmaskin blev en stor framgång, även om bränsleförbrukningen var mycket hög. Det brukade sägas att man behövde en järngruva för att kunna bygga en ångmaskin och en kolgruva för att kunna driva den. Fram till slutet av 1700-talet hade omkring 1700 Newcomenmaskiner byggs vid brittiska kolgruvor. Viktiga förbättringar av ångmaskinen infördes av John Smeaton, som tidigare gjort stora insatser för att öka effekten hos vattenhjul och vindmotorer. Viktigast var hans konstruktion av en ny maskin för att slätborra cylindrar för att få bättre tätning mellan kolv och cylinder. Detta ökade maskinens effekt med 50 procent. En variant på Newcomenmaskinen utvecklades i Ryssland av Ivan Polsunov ( ). Den arbetade med två parallella cylindrar och kunde ge en rotationsrörelse, vilket inte föresvävat Newcomen. Polsunov avled emellertid vid 38 års ålder, och hans konstruktion kom inte att vidareutvecklas, trots att den blivit mycket uppmärksammad. En ångmaskin av Newcomens typ byggdes i Sverige vid Dannemora gruva av Mårten Triewald ( ). Han hade i unga år utvandrat från Sverige till England och där 17

18 kommit att arbeta som maskinchef vid en av de första Newcomenmaskinerna. Han återvände 1726 till Sverige med idén att bygga en eld- och luftmachin vid Dannemora gruva i Uppland, där man hade stora problem med länspumpning. Den mycket stora maskin som kom att byggas där efter Triewalds ritningar gav emellertid upphov till många problem. Dessa har behandlats i doktorsavhandlingen Technology on Trial av Svante Lindqvist, 1989, professor i teknikhistoria vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm. Sveriges första ångmaskinsprojekt slutade som ett fiasko. Det skulle sedan dröja till början av 1800-talet innan ett nytt försök gjordes att bygga och driva en ångmaskin i Sverige. Ångmaskinens fortsatta utveckling är i hög grad knuten till den skotske teknikern James Watt ( ). Han var anställd som instrumentmakare vid universitetet i Glasgow och fick där i uppdrag att reparera en modell av en Newcomenmaskin, som användes i undervisningen. I samband med detta studerade han verkningsättet mer ingående och noterade att cylindern kyldes ner varje gång kallt vatten sprutades in i den för att kondensera ångan. För att minska denna onödiga energiåtgång anslöt Watt ett annat kärl till cylindern. Kylvattnet sprutades i stället in i detta kärl. Arbetscylindern kunde då hela tiden hållas vid hög temperatur. Med den separata kondensorn fick ångmaskinerna en betydligt högre verkningsgrad. James Watt kom senare att införa ett antal viktiga förbättringar av ångmaskinen, så många och betydande att han ibland, felaktigt, har kommit att anges som ångmaskinens uppfinnare. För att exploatera sina uppfinningar slog sig Watt samman med industrimannen Matthew Boulton ( ). I dennes verkstadsindustri Soho Works i Birmingham tillverkades Watts ångmaskiner och hyrdes sedan ut till gruvägare och andra. Newcomens maskin var enkelverkande i den meningen att atmosfärstrycket uträttade ett arbete bara vid kolvens rörelse nedåt i cylindern. Watt I slutet av 1700-talet och i början av 1800-talet gjorde ångmaskinen sitt intåg i den engelska textilindustrin. Kraften överfördes till varje maskin med hjälp av remmar och axlar i taket. 18

19 modifierade maskinen så att ångan i stället för att kondenseras utnyttjades för att växelvis trycka på kolvens ena eller andra sida. Maskinen blev därigenom dubbelverkande. Detta krävde att den kedja som förband kolven med balansbommen ersattes med en stel kolvstång. Detta, i sin tur krävde en länkmekanism som styrde denna kolvstång i en ren parallellrörelse. Watts parallellogram-mekanism ansågs av honom själv vara den mest lyckade av hans olika uppfinningar. Andra uppfinningar var centrifugalregulatorn som höll maskinens hastighet konstant och en anordning för att åstadkomma en rotationsrörelse i stället för den upp- och nedgående. Här var Watt tvungen att gå en omväg, då en medhjälpare till honom hade patenterat den enklaste metoden: att använda en ren vevmekanism påverkad av en vevstake fäst i balansbommen. Härigenom hade ångmaskinen blivit ett alternativ till vattenhjulet som drivkälla. Vid 1800-talets början stod den färdig att börja sitt segertåg, inte bara i industrier utan snart också som drivkälla för fartyg och järnvägståg. Givetvis kom vattenkraften och även muskelkraften att fortsätta att användas som stationär energikälla i industrier länge efter detta genombrott för den nya tekniken. Med ångmaskinen fick man en energikälla som var flyttbar. Den kunde placeras där energibehovet fanns. Detta var i första skedet vid vattensjuka gruvor, men den skulle snart komma att bli den motor som drev spinnmaskiner och vävstolar i textilfabriker. På grund av eldfaran placerades ångmaskinen oftast utanför fabriksbyggnaden. Genom en remdriift överfördes effekten till roterande axlar i spinnsalens och vävsalens tak. Från dessa axlar gick andra remdrifter ner till maskinerna på fabriksgolvet. När sedan den mekaniska verkstadsindustrin började växa fram, drevs verktygsmaskinerna på samma sätt genom remdrifter från axlar i taket. I ett senare skede bytte man ofta ut ångmaskinen mot en stor elektrisk motor. Slutligen ersattes systemet med remdrifterna av små elektriska motorer, en på varje maskin. Då hade den klassiska fabrikslokalen fått ett annat utseende. Skogen av remmar var borta och därmed också ett faromoment. Risken var stor att få fingrarna i kläm mellan rem och remskiva. Utan alla remmarna blev också lokalen ljusare; dagsljuset kunde leta sig längre in. I Sverige fanns år 1806 cirka 15 ångmaskiner i drift med en sammanlagd effekt på högst 400 hk. Kring 1820 började en snabb utveckling av ångsjöfarten, men ännu 1850 kan den totala ångeffekten uppskattas till högst hk. Detta kan jämföras med den sammanlagda effekten hos dragdjur i Sverige vid samma tid: cirka hk presterades av landets cirka hästar och cirka oxar. Människornas eget sammanlagda muskelarbete uppskattas till cirka hk år Den totala effekt som 1850 utnyttjades av väderkvarnar, vattenkvarnar och vattensågar uppskattas också till cirka hk. Totalt visar detta att ångeffekten bara utgjorde cirka 1 procent av totalt utnyttjad effekt. Men vid seklets mitt började en snabb tillväxt av ångeffekten, som i stort sett kom att sedan fördubblas vart tionde år. Ångteknikens vidare utveckling under 1800-talet skedde efter tre huvudlinjer: allt högre ångtryck, effektivt utnyttjande av ångans expansion i så kallade kompoundmaskiner, samt nya slag av mekanismer. Parallellt med denna praktiskt baserade utveckling växte fram en teori för ångmaskinens verkningssätt, kallad termodynamik, 19

20 Ångfartyg på Göta kanal. Teckning av Karel Sedivy 1890 efter fotografi. en grundläggande gren av fysiken. Vi har här ett exempel på hur en fysikalisk teori växer fram för att, i efterhand, förklara resultat av en praktiskt bedriven maskinutveckling. Rätt snart övergavs den ursprungliga konstruktionstypen med en stor balansbom, som ju var betingad av att den första användningen av ångmaskinen var som pumpmaskin. Maskinerna kunde nu även göras betydligt mindre och monteras till exempel på fartyg. De första ångfartygen gick i kanal- och flodfart och längs kuster, med redan 1818 gick ett första ångfartyg över Atlanten. Den första ångloksdrivna järnvägen öppnades i England Den stora ångmaskinen i mitten av Tekniska Museets maskinhall byggdes 1832 av Samuel Owen, som 1804 följt med från England till Sverige för att sätta upp några ångmaskiner. Han blev sedan kvar i Stockholm och grundade en egen verkstad på tomten invid nuvarande Stadshuset. Ångmaskinen, som är av Watts typ, användes vid Höganäs stenkolsgruva i över 70 år. I Sverige kom ångmaskiner tidigt att tas i bruk för drift av sågverk, speciellt längs norrlandskusten i samband med den stora exploateringen av det norrländska inlandet. Timret flottades på älvar ner till kusten, där det sågades till plank och bräder och direkt kunde lastas på fartyg för transport söderut. De första järnvägarna i Sverige byggdes i Bergslagen för att transportera träkol och malm till järnbruken. Dessa såg en ny marknad i järnvägsbyggandet: järnvägsräls blev en lönsam ny produkt. Men utvecklingen skulle snart visa att järnvägarna blev till skada för många av de små järnbruken. När man kunde frakta kol och malm långa vägar på järnväg blev det lönsamt med stordrift. De små bruken fick allt svårare att konkurrera med de effektivare stora järnverk som nu började uppföras. Den stora produktionen av järnvägsräls kom vid 1800-talets slut att leda till den stora bruksdöden. 20

21 Ett framsynt beslut av års riksdag var att bygga stambanor mellan större städer under statlig ledning. Först färdig var Västra stambanan mellan Stockholm och Göteborg, klar Sedan följde under resten av 1800-talet södra (Malmö-Falköping), nordvästra (Laxå-Charlottenberg), östra (Katrineholm-Nässjö) och norra stambanan (Stockholm-Riksgränsen), den sista klar Stambanorna och mindre enskilda järnvägar bildade ett nätverk för tunga och snabba transporter som fick stor betydelse i det industriella genombrottet vid 1800-talets slut. Från denna tid börjar en ny användning av ångkraften att dyka upp: drift av elektriska generatorer. Den nya elektrotekniken var i stort sett helt baserad på ångmaskinsdrivna generatorer. Vattenkraften kom först senare, särskilt i Sverige, att bli den dominerande energikällan i elektrifieringen. Men en ny typ av maskin, ångturbinen, kom också vid denna tid att bli ett alternativ till kolvångmaskinen för drift av elgeneratorer. Ångturbiner En kolvångmaskins varvtal kan inte drivas upp särskilt högt utan att det uppkommer skakningar och andra dynamiska problem av de fram- och återgående maskindelarna. Behovet av en snabbgående drivkälla för elgeneratorer drev därför i slutet av talet fram utvecklingen av ångturbiner. Dessa kom snart att få en betydligt högre verkningsgrad än kolvångmaskinerna. Herons ångkula var en tidig ångturbin av reaktionstyp, som aldrig fick någon praktisk användning. Den svenske uppfinnaren Gustaf de Laval ( ) patenterade 1883 en enkel reaktionsturbin för drift av separatorer, men den ledde inte till någon kommersiell framgång. Det blev i stället turbiner av aktionstyp, där ångstrålar träffar skovlar i periferin av ett löphjul, som kom att bli lösningen på hans problem att göra en snabbgående ångmotor. De Laval konstruerade 1888 en aktionsturbin med högt varvtal och hög effekt. Här utnyttjade han tre betydelsefulla innovationer: (1) expanderande munstycken som ökade ångstrålens hastighet, (2) en smal, böjlig axel, som minskade vibrationerna vid de höga varvtalen, och (3) en typ av kugghjul med pilformade kuggar, som gav en tystare gång. Kugghjulen var nödvändiga för att kunna växla ner varvtalet till ett som lämpade sig för drift av fartygspropellrar. De Lavals turbiner fick användning dels för fartygsdrift, dels för drift av elgeneratorer. AB de Lavals Ångturbin blev snabbt ett framgångsrikt företag. Engelsmannen Charles Parsons ( ) utvecklade en ångturbin med en rad löphjul på en och samma axel. Fasta ledskenor mellan löphjulen länkade om ångflödet så att det träffade löphjulen i en optimal vinkel. Denna turbin installerades bland annat på ett litet fartyg, Turbinia, som slog gällande hastighetsrekord med stor marginal. Amerikanen Charles Curtis ( ) patenterade 1895 en turbinkonstruktion, som kombinerade principerna för aktions- och reaktions-turbinen. Medan de Lavals och Parsons ångturbiner var av axialtyp (ångflödet gick i rotoraxelns riktning) utvecklade de svenska uppfinnarbröderna Birger ( ) och Fredrik ( ) Ljungström turbinkonstruktioner av radialtyp (ångflödet gick i riktning 21

22 Gustaf de Lavals aktionsturbin.ånga leds in genom munstycken. När ångstrålen träffar turbinhjulets böjda skovlar sätts hjulet i rörelse. Bild Tekniska museets arkiv. radiellt utåt) med två motroterande löphjul. Ett företag, Svenska Turbinfabriks Aktiebolaget Ljungström (STAL) grundades 1913 i Finspång. Utvecklingen gick sedan mot allt större turbinenheter. På 1930-talet byggdes STAL-turbiner av kombinerad axialoch radialtyp, med effekter på 50 Megawatt. De två svenska turbintillverkarna slogs 1959 samman till ett enda företag STAL-Laval. Det blev snart världsledande på området marinturbiner, men levererade också turbiner till svenska ångkraftverk. Efter fusionen mellan ASEA och det schweiziska företaget Brown-Boveri till företaget ABB, ombildades STAL-Laval till ABB STAL. Det är i dag en av världens största tillverkare av ångturbiner, främst till värmekraftverk. Värmekraftverken är, vid sidan av vattenkraftverken, den viktigaste leverantören av elenergi. Värmekällan kan vara kol, olja eller en kärnreaktor. I Sverige kommer nära hälften av elenergin från kärnkraftverk. FÖRBRÄNNINGSMOTORER En motor omvandlar energi till mekaniskt arbete. Ångmaskiner omvandlar den värmeenergi, som tillförs genom ångan som alstrats i en yttre ångpanna. Förbränningsmotorer 22

23 Tillverkning av skovelsystem till 50 Megawatts STAL-turbin vid Svenska Turbinfabriks AB Ljungström i Finspång i början av 1930-talet. Foto Tekniska museets arkiv. omvandlar den kemiska energin i det tillförda bränslet till värmeenergi, när detta förbränns i maskinen själv. De två huvudtyperna av ångmaskiner kolvångmaskiner och ångturbiner har direkta motsvarigheter för förbränningsmotorer: kolvmotorer och gasturbiner. Av kolvmotorer finns flera huvudtyper: Varmluftsmotorn, Ottomotorn och Dieselmotorn. Varmluftsmotorer Engelsmannen George Cayley ( ) gjorde många försök att bygga en flygmaskin och behövde då en lämplig motor. En ångmaskin kunde inte komma i fråga den var alldeles för tung. Detta ledde honom till tanken på att använda uppvärmd luft i stället för ånga som drivmedium. Grundidén till en varmluftsmotor var härmed född. 23

24 Utan att känna till Cayleys tankar kom den unge John Ericsson ( ) att fundera på en varmluftsmotor. Han menade man gick en omväg genom att först värma vatten till ånga och sedan utnyttja ångans expansion. Varför inte direkt värma luften i en cylinder och utnyttja luftens expansion? I England kom han sedan att bygga sin första varmluftsmaskin på 5 hk, färdig I USA fortsatte han sedan sitt arbete med varmluftsmaskiner och gjorde bland annat en som drevs direkt av solljuset med hjälp av brännspeglar. John Ericssons varmluftsmotorer kom att tillverkas ända fram till 1930-talet av det amerikanska företaget Rider-Ericsson Engine Co. Den skotske prästen Robert Stirling ( ) hade redan 1827 patenterat en fungerande varmluftsmotor, som skulle komma att leva kvar långt in på 1900-talet. Principen bygger här, liksom vid alla varmluftsmaskiner, på att luft utvidgas när den En av John Ericssons varmluftsmaskiner kunde drivas direkt av solljuset med hjälp av en påmonterad parabolisk brännspegel. 24

25 värms upp och minskar i volym när den åter avkyls. I en vidareutvecklad form av Stirlingmotorn arbetar två kolvar i en cylinder med ett inbördes styrt rörelseschema. I stället för luft har också använts ädelgasen helium, vilket ökar motorns effektivitet. En sådan motor är helt sluten; heliumgasen cirkulerar inuti motorn. Stirlingmotorer och andra slutna varmluftsmaskiner, med effekter på några hästkrafter, tillverkades industriellt i begränsad skala från 1870-talet. Användningsområdenm var till exempel för drift av pumpar, tryckpressar och andra mindre energikrävande produktionsmaskiner. I slutet av 1930-talet väcktes ett nytt intresse för denna motor. Det holländska företaget Philips letade efter en enkel motor lämplig att driva en mindre generator för att leverera ström till radioapparater. Detta skulle öppna en stor marknad i många utvecklingsländer: en stirlingmotor kan drivas med mycket enkla bränslen. Andra världskriget stoppade alla sådana planer. När sedan transistorradion kom som bara behövde ett litet batteri, förlorade Philips projekt sin aktualitet. Stirlingmotorer med helium som arbetsmedium har senare blivit aktuella som drivkälla för till exempel bussar och lastbilar. De har hög verkningsgrad, särskilt för större motorer, men de är betydligt tyngre än konventionella bensinmotorer. Ett annat område där Stirlingmotorer kommit att prövas är för drift av ubåtar. Företaget United Stirling i Malmö har utvecklat sådana motorer. Ottomotorn Världens vanligaste kraftmaskin är utan tvekan bilmotorn. Den finns i många olika typer (fyrtakts och tvåtakts bensinmotorer, dieselmotorer) och den har många olika föregångare. Vid 1800-talets början började ångmaskiner bli vanliga, och man kom att intressera sig också för alternativa motorer. Tanken att driva kolvrörelsen med hjälp av krutladdningar hade förts fram långt tidigare, men utan framgång. Vid seklets mitt Tvåtaktsprincipen används bland annat i utombordsmotorer. Okänd fotograf Tekniska museets arkiv 25

26 fanns i många städer gasverk, som anlagts för belysning. Det låg här nära till hans att försöka driva motorer med hjälp av denna energikälla. Åtskilliga försök gjordes, dock utan framgång. Först 1860 beviljades fransmannen Etienne Lenoir ( ) patent på en motor driven av lysgas. Konstruktionen liknade en vanlig kolvångmaskin. I stället för ånga släpptes gas in i cylindern och antändes med en elektrisk gnista. Motorn kom att tillverkas i några hundra exemplar, den kunde prestera några få hästkrafter och hade låg verkningsgrad (5 10 procent). produktion, men effekten var begränsad till cirka 12 hk. Lenoirmotorn vidareutvecklades senare i flera steg av de båda tyskarna Nikolaus August Otto ( ) och Eugen Langen ( ). Ett avgörande genombrott kom 1876 med den första fyrtaktsmotorn, den direkta föregångaren till dagens bilmotorer. Drivmedlet var ännu lysgas, och motorn var därför stationär och fick användning främst som drivkälla inom industrin. Gottlieb Daimler ( ) tog nästa steg, att 1883 ersätta lysgasen med ett förgasat petroleumderivat, som fanns att köpa i apotek under namnet Benzin. Han uppfann även glödrörständningen som alternativ till elektrisk gnisttändning. Då Ottomotorn nu gjorts oberoende av anslutning till en gasledning var det möjligt att använda den som drivkälla för fordon. Daimler konstruerade själv en motordriven cykel 1885, medan den första trehjuliga åkvagnen byggdes och patenterades 1886 av Karl Benz ( ). Detta år brukar betecknas som bilens födelseår. Ottos fyrtaktsmotor fungerade väl, men kritiserades också för att vara komplicerad och tung. En enklare och lättare variant, tvåtaktsmotorn, lanserades redan 1878 av skotten Dugald Clerk ( ). Den har betydligt färre rörliga delar än fyrtaktsmotorn. Bägge huvudtyperna har sedan utvecklats parallellt och har funnit egna användningsområden. Medan fyrtaktsmotorn är helt dominerande i bilar, har tvåtaktsmotorer fått användning på områden med mycket lägre effektbehov. Genom att bilmotorer finns i ett så enormt antal har problemen med luftföroreningar från avgaserna blivit allt mer märkbara. Avgaserna ger inte bara hälsoproblem i tätt trafikerade regioner, de har också mätbara påverkningar på atmosfären i stort. Miljöproblemen fortsätter att växa trots att vissa motåtgärder börjat vidtagas, till exempel införandet av katalysatorer. Bilismen i nuvarande form står inför en oviss framtid. Dieselmotorn Den elektriska tändningen vid de första förbränningsmotorerna gav ofta upphov till störningar. Det krävdes att en gnista tändes i exakt det ögonblick när motorkolven befann sig i ett bestämt läge. Detta problem försvann med den nya motorkonstruktion som 1892 patenterades av den tyske ingenjören Rudolf Diesel ( ). Han utnyttjade det faktum att temperaturen hos en gas stiger om gasen komprimeras snabbt. Genom att öka kompressionen i motorn kunde han uppnå att bränslet självantändes då det sprutades in i cylindern vid slutet av kompressionsslaget. En föregångare till Diesels motor var den fotogendrivna tändkulemotorn, som kom att få stor användning till exempel på fiskebåtar och andra mindre farkoster. 26