Ett luftburet system för avverkning och transport För- och nackdelar samt förslag till forskning Mats Hagner 2008-09-26 UBICON Rapport 10, 2008 ISSN 1654-4455 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- UBICON, Blåbärsvägen 19, 903 39 Umeå, Sweden. Tel 090-141620, 070-64 222 44 Epost mats.hagner@telia.com. Org.nr: 340827-8210. http://www-sekon.slu.se/~mats -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Sammanfattning Vid kontinuerlig virkesodling skördas i huvudsak stora träd som står mellan mindre träd. Tillredning av trädet i skogen * En heliumfylld ballong, utan pilot, lyfter en avverkningsrobot (AvvR) till det träd som skall skördas. Denna ballong kallas avverkningsballong (AvvB) och den ser till att AvvR lyfts till ett nytt träd när den är klar med det första trädet. AvvR mäter stammens diameter och kapar toppen, som faller till marken. AvvR kapar alla grenar på den återstående delen av stammen under rörelse nedåt. AvvR gör ett snitt i stubbhöjd in till mitten av stammen. Samtidigt kör den in en kil i sågspåret vilket stabiliserar stammen. AvvR barkar stammen på sin väg upp till stammens översta ände. Transport av hela trädstammen till sågverket En heliumfylld ballong, en transportballong (TrB), flyger tyngdlös över skogen. * TrB kryper in i ett tåg av andra TrB för att minska luftmotståndet under transporten av stammar till vattnet utanför sågverket. TrB fyller ballasttanken med vatten. TrB släpper alla stammarna i vattnet. Nackdelar med systemet är bland annat följande. Heliumgas läker ut i atmosfären. Känslighet för väderlek, främst vind. Det finns anledning att begränsa systemets arbetstid till nätterna då vinden är ett mindre problem. Fördelar med systemet är bland annat följande. Vägar behövs inte. Skador på mark och på befriade träd undviks. Hela stammar kommer fram till sågverket, där sönderdelningen kan göras bättre och mer aktuell än i skogen. Skörden av mogna stora träd är lönsammare än kalavverkning. Klimatskador minskar på grund av ringa utsläpp av CO 2. Ingen pilot utsätts för risker eftersom ballongen och motorer skall radiostyras. Strategi för framtida forskning presenteras. Ämnesord: teknik, luftburet, avverkning, terrängtransport, ballong, helium, robot, hela stammar, aptering, ekonomi Inledning Forskning har visat att träd som befriats genom gallring, reagerar med ökad tillväxt. Om gallringen sker i skiktad skog, där stora mogna träd står blandade med små träd, blir tillväxten i stamvolym efter gallringen, nästan dubbelt så hög om man vid gallringen tar bort de stora träden i stället för de små. Detta är en stor nyhet och innebär en revolution i skogsbruket, eftersom vi tidigare har trott att motsatsen gällde. Konsekvensen blir att man överger kalhyggesbruket och övergår till en kontinuerlig skörd av mogna träd. Detta beror på att den virkesförädlande industrin betalar mycket mer för en grov timmerstock än för en klen massabit. Detta förklaras av att förädlingsvinsten är mycket högre för en kubikmeter sågtimmer än för en kubikmeter massaved. Att vinsten blir hög, när de skördade träden blir större, beror också på att kostnaden, per kubikmeter virke, för fällning, kapning och terrängtransport, sjunker med ökande trädstorlek.
Vid kontinuerlig virkesodling skördas i huvudsak stora träd som står mellan mindre träd. Dessa mindre träd är de som utgör basen för den framtida inkomsten. Värdet av en timmerstock är låg om djupgående skador förekommer. Denna typ av skador uppkommer exempelvis om det klena trädet får bark bortskrapad av ett stort fallande träd. Följden blir att kåda och bark vallas in i veden när trädet ökar sin diameter. Barkskador längs nere på stammen uppkommer också när stockar släpas längs marken och när traktorer bär ut virke genom skogen. Av detta skäl är det önskvärt att undvika både trädfällning och horisontell transport av virke i en skog som skördas kontinuerligt. Teknik Ett antagande i detta arbete är att det redan finns teknik för följande operationer. Väderlek och arbetstid * Heliumfyllda ballonger har stort luftmotstånd i förhållande till rotorernas dragkraft i x-, y- och z-led. * Vid stark vind går därför ballongerna ned till marken där de fäster sig stadigt och inväntar lugnare väder. * Vinden är starkast på dagen och svagast på natten. Eftersom det inte finns någon pilot inblandad kan ballongerna arbeta alla timmar då vädret tillåter. Detta innebär att avverkning och virkestransport i huvudsak kommer att ske nattetid. Tillredning av trädet i skogen * En heliumfylld ballong, utan pilot, lyfter en avverkningsrobot (AvvR) till det träd som skall skördas. Denna ballong kallas avverkningsballong (AvvB) och den ser till att AvvR lyfts till ett nytt träd när den är klar med det först trädet. AvvB ser till att 20 st AvvR ständigt är sysselsatta. Detta gör att en AvvR kan ta lång tid på sig för att tillreda ett träd. * Efter att AvvR placerats i trädkronan söker den sig från grenen in till stammen och ner längs denna. AvvR mäter stammens diameter. AvvR kapar loss översta delen av trädets krona genom att kapa stammen vid en viss diameter. Denna del faller ned till marken. * AvvR kapar alla grenar på den återstående delen av stammen under rörelse nedåt. * AvvR gör ett snitt i stubbhöjd in till mitten av stammen. Samtidigt kör den in en kil i sågspåret vilket stabiliserar stammen. *AvvR gör ett andra snitt i stubbhöjd från motsatt håll. Detta snitt går inte ända in till stammens mitt, utan lämnar det som vanligen kallas gångjärn okapat. En kil trängs in i sågspåret. Den kvistade och toppkapade stammen står på detta sätt kvar i upprätt ställning. *AvvR barkar stammen på sin väg upp till stammens översta ände. *När AvvR nått toppen sänder den en telefonsignal till AvvB vilket innebär att AvvB lyfter AvvR till ett nytt träd. Transport av hela trädstammen till sågverket *En heliumfylld ballong, en transportballong (TrB), flyger tyngdlös över skogen. Lyftkraften motsvaras av tyngdkraften hos vatten i en tank för ballast. TrB har ingen pilot utan styrs av en autopilot som via GPS vet exakt var ballongen befinner sig i både x- y- och z-led. *TrB hugger tag i den upprättstående stammens översta del och skakar den till dess gångjärnet vid stubben brutits av. Med ökad lyftkraft åstadkommen med den horisontella rotorn lyfter den stammen samtidigt som vatten forsar ut från tanken med vatten. Detta upphör så snart som enheten åter svävar tyngdlös. *TrB lyfter nya stammar intill dess att tanken med ballastvatten är tom.
*Om stammen är så tung att vikten överträffar vikten av ballastvattnet, förenar sig AvvB med en eller flera andra AvvB. * TrB kryper in i ett tåg av andra TrB för att minska luftmotståndet under transporten av stammar till vattnet utanför sågverket. *TrB fyller ballasttanken med vatten *TrB släpper alla stammarna i vattnet. *TrB lyfter och kryper in i ett tåg av andra TrB som är på väg tillbaka till avverkningsområdet. Teknik som redan finns I Österrike har man sedan några decennier haft en trädklättrande robot som från marken rört sig uppför stammen och kapat alla grenar. Den har, såvitt jag vet, varit anpassad för gran. I västra USA och Canada har man använt heliumfyllda ballonger för virkestransport ända sedan slutet av andra världskriget. Lyftkraften motsvarar 10 ton. Dessa ballonger är markbundna och dras längs marken med wire fäst vid stubbar. I Malaysia har man sedan många år använt Sikorsky helikoptrar för att flytta stockar. Lyftkraften är 10 000 kilo. I detta system fiskar helikoptern tillredda stockar nere på marken med en 100 m lång lina. Ytterst på linan sitter en tämligen enkel sax som hålls gapande på elektrisk väg. Helikoptern används inom ett avstånd från bilväg på maximalt 3 km. Med en skicklig pilot är prestationen 120 sek per stock. Tillredning av stammen vid sågverket * Stammen matas förbi mätutrustning. Stammens dimensioner, krökar och kvistar både utvändigt och inne i virket registreras med hjälp av laser och röntgen. Informationen bearbetas av en dator och stammen kapas och sågas så att högsta möjliga förädlingsvärde uppnås. * En utomordentligt stor ekonomisk fördel är att styckningen av stammen blir ytterligt förbättrad jämfört med den styckning som nu sker i skogen. Anledningen är att stockens inre och yttre egenskaper kan beaktas. * En annan stor fördel är att stammens styckning sker efter tidsaktuell information om vad kunderna vill ha. * Genom att kapning sker med stammen vilande på många rullar, uppstår inga spänningar vid kapsnittet. Detta gör att s.k. kapsprickor undviks helt. I nuvarande kortvirkessystem är kapsprickor ett mycket vanligt fenomen som orsakar stora förluster vid förädlingen av sågtimmer. * Genom att stammen aldrig släpas på marken är den fri från jord och grus. Detta är en mycket stor fördel eftersom sågklingor normalt förslöas eller skadas av sand och sten. * Genom att det blir kort tid mellan att stammen tillreds i skogen och att den sågas i sågverket hinner inte insekter och svampar angripa virket. I tropikerna måste timmer barkas inom ett dygn och stocken vara hos sågverket inom tre dygn. Nackdelar med ett ballongsystem, samt sätt att undvika dem * Virke kan skördas på otillgängliga platser, på myrholmar och på öar, på toppen av branta berg och i branta sluttningar. Detta är ett hot mot biologisk mångfald eftersom det blir färre skogar som förblir ostörda av människan. Problemet måste mötas genom ökade hänsyn och restriktioner. * Systemet är känsligt för väderlek, främst vind. Inom några breddgrader från ekvatorn blåser det sällan i sidled. Luften rör sig rakt upp på dagen. På längre avstånd från ekvatorn blåser det kraftigt. Ju mer jordens klimat ändras desto mer blåser det. Under vanliga omständigheter är vindstyrkan låg på kväll och natt. Genom att
piloter inte används, kan systemet köras nattetid och startas omedelbart när vinden tillåter. När systemet är overksamt måste ballongerna förankras i marken. Vid motvind och lång transport kan det finnas anledning att ballongtåget flyger till en wire eller räls på marken. Med en löpare på rälsen blir det lättare att dra sig mot vinden. Ballongtåget står då som en vimpel i vindens riktning. * Systemet är känsligt för kraftigt regn. Den sammanlagda kraften i slagregn är betydande och vikten av regnvattnet kan bli stor innan det hinner droppa ned från ballongen. Om små sjöar av regnvatten bildas på ballongen, kan det uppstå problem för växter och djur som befinner sig nedanför ballongen, om de små sjöarna töms vi ett tillfälle. * Systemet är känsligt för blötsnö. * Systemet är känsligt för vikt hos rotorer, motorer och anordningar för att fästa lasten. Utrustning bör tillverkas i lätta metaller och i kolfiber. * Systemet är farligt om ballongens last faller ner. En heliumfylld ballong kan inte brinna eller explodera, men en granat kan spränga ett hål i ballongen. Vad som då händer är att den sjunker ner med ökande hastighet. * Systemet är okänt och okonventionellt. Erfarenheter av stora ballonger och luftskepp (blimps) i USA kan utnyttjas. * Systemet ersätter och hotar dagens transport- och avverkningssystem. Alla de organisationer och enskilda som tjänar bra med pengar på nuvarande system är mer eller mindre negativa till system som hotar deras egen verksamhet. Förändring är kostsam och egentligen oönskad. Dessa organisationer kan förväntas uttala sig negativt och därigenom motverka stöd till detta projekt. Det bästa vore att man fick stöd från något oljebolag med stora resurser. Det finns säkert enskilda människor inom ett oljebolag som är tillräckligt kloka för att förstå fördelarna med det beskrivna systemet. De kan även inse att bolaget långsiktigt kan dra nytta av att ligga i täten inom detta område. * Heliumgasen måste renas vart tionde (?) år. I en enkel ballong ligger helium som en bubbla ovanför vanlig luft. Inget membran behövs däremellan. Så småningom blandas gas och luft. Lyftkraften minskar när gasblandningen fått så stor volym att den inte ryms i ballongen. Den måste då renas. Utrustning för detta finns tillgänglig. * Heliumgas läcker ut i atmosfären. Det finns redan en viss mängd helium i atmosfären. Ädelgasen helium påverkar inte andra gaser eller luftens egenskaper. Emellertid kommer mängden helium att öka om man i stor omfattning använder ballonger, ty den helium som används är en restprodukt vid utvinning av naturgas. Denna renas från helium. På lång sikt bör man extrahera helium från atmosfären, dvs. återvinna den som redan finns i lufthavet. * Helium har lägre lyftkraft än vätgas. En fördel med helium i jämförelse med vätgas är molekylens storlek. Det är enklare att konstruera ett ballonghölje som inte släpper igenom helium än ett som stänger inne väte. Nackdelen är att helium av samma skäl har lägre lyftkraft, 1 kg/m3, än väte. * Ballonghöljet är stort och orsakar skugga på marken. Detta är problem som uppstår först efter att ballongsystem ersatt en stor del av transporterna i samhället. Då finns det anledning att begränsa transporterna till nätterna. * Ballongtransport blir beroende av väder och kan därför inte styras i tiden lika lätt som exempelvis bil- och tågtransport. Detta är oöverkomligt. Problemet kan reduceras något om ballongerna vid ogynnsamt väder kan använda räls på marken för att dra sig framåt. Då priset för ballongtransport bör bli mycket lägre än för alternativen, blir emellertid en stor del av transporterna utförda av ballonger, trots den längre tiden och den större osäkerheten.
Fördelar * Skador på befriade träd undviks. Kvaliteten på de träd som odlas ökar successivt efter systemets inledning. * Kostnad för återväxt minskar drastiskt när de plantor och småträd som finns i skogen bildar en naturlig återväxt. * Den biologiska mångfalden bör kunna bevaras i större omfattning då denna typ av skörd bör resultera i skiktade skogar. Min förmodan är också att skötselintensiteten i skog minskar. Skörden av mogna stora träd blir lönsammare än skörd av småträd efter att ett ballongsystem införts. Många skogsägare kommer att reducera sin skogsskötsel till enbart skörd av mogna träd. Detta kommer att leda till tät underväxt med stor andel självgallrade småträd. * Näringen i blad, grenar och bark blir lämnad kvar i skogen. Näringen blir fördelad över skogsmarken på ett naturligt sätt. Virket som lyfts ut ur skogen innehåller i huvudsak endast kolhydrater som inte är någon bristfaktor vid trädodling. * Avverknings- och transportsystemet avger minimalt med koldioxid. Klimatskador minskar. * Virkesskörd kan pågå hela året runt. Tjällossning upphör att vara ett problem. * Virke kan skördas på otillgängliga platser, på myrholmar och på öar, på toppen av branta berg och i branta sluttningar *Behov av traktorvägar i skogen upphör. Humustäckets och mineraljordens luftkanaler blir inte sammanpressade av tunga hjul. Detta ökar skogsmarkens produktionsförmåga i förhållande till nuvarande system med traktorer. * Erosion undviks. I tropikerna är erosion ett oerhört problem efter vanliga avverkningar. Det beror på att skogsmarken består av finkorniga partiklar skapade genom vittring under många millioner år. Partiklarna följer med vattnet som forsar utför sluttningarna vid de häftiga regn som faller nästan varje eftermiddag och natt. * Behov av skogsbilvägar upphör. * Tunga skrymmande virkestransporter längs huvudvägar upphör. Behovet av lastbilar minskar och kostnaden för allmänna vägar reduceras. Strategi Bilda en internationell grupp av forskare, tekniker och ekonomer. Gör en inledande ekonomisk bedömning av transportsystemet. Om denna är negativ, avsluta projektet. Om den är positiv utvidgas projektet. Sök 100 tusen kronor som används till en demonstrationsanläggning i skala 1/50. Den används vid kontakter med en finansiär, helst ett oljebolag i tropikerna. Mitt förslag är Petronas i Malaysia. Avvakta med kontakterna med oljebolag till dess en väl fungerande demonstrationsanläggning är byggd. Denna skall inte innehålla någon fungerande robot för tillredning av träd, endast en stel modell, som kan placeras i trädkronan på modeller av träd. Demonstrationsanläggningen skall ha en ballong av enklaste slag med hål för luft i botten. Den skall visa att ballonger kan styras i alla led med propellrar. Den skall även innehålla en ballasttank för vatten, och visa hur vatten släpps ut när en tyngd lyfts upp. Ballongen och motorer skall radiostyras. Eventuellt kan amatörflygklubbar anlitas för bygget av demonstrationsanläggningen, eller så anlitas SmartPlanes i Umeå som redan bygger robotiserade små flygplan med autopilot, GPS och horisonterare. De små flygplanen används till kartering.
Om Petronas eller någon annan finansiär med mycket resurser kliver in som intressent, drivs projektet vidare på följande sätt. Grupper bildas för Miljövård inklusive klimat Teknik för tillredning av träd i skogen Teknik för transport av virke Teknik för styrning av ballong i x-y- och z-led Teknik för kommunikation och logistik Teknik för mätning och tillredning av hela stammar vid sågverk Teknik för kartering av skog så att mogna träd kan återfinnas från luften Teknik med syfte att fatta alla beslut om trädskörd med enbart information inhämtad från luften. Teknik för skörd av andra nyttigheter i skog via luftburna enheter, exempelvis blommor, frukter, kåda, medicinalväxter. Teknik för andra transporter än skogsprodukter. Projektet drivs med ständig information via massmedia. Prototyper förevisas och filmer sprids. Detta garanterar att de arbetande grupperna får feed-back, tips och kritik av allmänheten. Samtidigt får huvudfinansiären uppmärksamhet och reklam. Ett forskningsinstitut för luftburen miljövänlig teknik byggs i en universitetsstad i lämpligt land. Referenser Hagner, M. (2002) Propelled balloons for harvesting and transporting timber. Forestry.75,4, 495-499. Hagner, M. (2005) Heliumfylld ballong i stället för traktor ökar lönsamheten i skogsbruket. ISSN 1654-4455, UBICON Rapport.17, 1-11.