Joulukuun 13. päivänä esitettiin tarkastettavaksi Aalto yliopistossa Espoossa DI Riikka Matalan väitöskirja ”Verification of vessel resistance in old brash ice channels through model scale tests”. Tiheästi operoitu jääränni (old brash ice channel) on kauppalaivojen jäissä toiminnan kannalta kaikkein oleellisin jäätilanne.
Ydinkysymyksiä ovat koko jäissä toiminnan tekninen tehokkuus ja taloudellisuus, mihin vaikuttavat sekä jäänmurtajien että avustettavien kauppalaivojen ominaisuudet ja toiminta. Laivojen jäissäkulun tutkimus on perinteisesti keskittynyt kiinteän jääkentän – siis lähinnä tasaisen jääkentän – murtamiseen, mikä on varsinaisten jäänmurtajien teknisen suorituskyvyn kannalta oleellinen toimintatilanne.
Hän on valmistunut diplomi-insinööriksi 2012 Aalto yliopistosta ja toiminut jäämallikokeisiin liittyvissä tehtävissä Aker Arctic Technology Oy:n palveluksessa jo opiskeluaikanaan vuodesta 2007.
Tässä artikkelissa ei paneuduta väitöskirjatyön analyysien yksityiskohtiin vaan keskitytään isoon kuvaan jäämallikokeiden käytöstä, tekniikasta sekä merkityksestä ja haasteista.
Työn yleiskuvaus
Riikka Matalan väitöskirjatyö kohdistuu erityisesti kauppalaivojen toimintaan vanhassa jäärännissä, mikä on tänään suomalais-ruotsalaisissa jääluokkasäännöissä määritetyn kauppalaivojen minimitehovaatimuksen perusta. Työssä keskitytään jäärännin fysikaalisiin ominaisuuksiin, laivojen jäävastuksen osa-alueisiin, jäärännin mallintamiseen (mukaan lukien mallijään eri materiaalivaihtoehdot), tulosten vahvistamiseen täysmittakaavakokeilla ja myös jääluokkamääräysten säännöksiin.
Työn perustana on kuusi erillistä tieteellistä artikkelia, jotka käsittelevät näitä osa-alueita ja väitöskirjan varsinainen teksti on näistä erillisselvityksistä synteesi. Nykyään varsinkin teknisellä alalla suuri osa väitöskirjoista on näitä ns. artikkeliväitöskirjoja.
Työssä analysoidaan prosesseja, jotka vaikuttavat laivan rännivastukseen ja määritellään keskeiset prosessiin vaikuttavat voimat sekä analysoidaan, mitkä rännijään ominaisuudet ovat merkittäviä jäävastuksen kannalta silloin kun laiva etenee valmiiksi rikotussa rännissä. Matala päätyy siihen, että nykyiset mallikoekäytännöt eivät riittävän hyvin simuloi kaikkia merkittäviä tekijöitä laivan rännivastuksessa. Korrelaatiokokeiden perusteella käytetyt menetelmät eivät sovellu hyvin tiettyjen modernien (pystysuora tai melkein pystysuora keularanka) keulamuotojen vastuksen arviointiin. Työssä ehdotetaankin uutta mallikoemenetelmää, joka soveltuisi yhdenmukaisesti kaikille nykyisin käytössä oleville keulamuodoille.
Mallikokeiden käyttö laivasuunnittelussa
Mallikokeiden avulla tutkitaan laivojen suorituskykyä ja muita ominaisuuksia käyttäen fyysisiä pienoismalleja, jotka tyypillisesti ovat esimerkiksi 1/20 kohteena olevan laivan koosta (mitoista). Tämä siis tarkoittaa, että 150 m pitkän laivan pienoismalli on pituudeltaan 7,5 m. Laivamalli on geometrisesti samanmuotoinen täysikokoisen laivan kanssa.
Mallikokeita ryhdyttiin avovesiolosuhteissa (siis jäättömissä vesissä) hyödyntämään jo 1860 – luvulla, jolloin hahmoteltiin lainalaisuudet mallintamiselle. Englantilainen William Froude on saanut kunnian tämän dynaamisen yhdenmukaisuuden määrittämisestä. Avovedessä mallittamisen onnistuminen vaati sen, että laivan kulkuvastus jaettiin kahteen osioon: aallonmuodostusvastukseen ja kitkavastukseen (viskoosivastukseen). Koemenetelmiä on edelleen kehitetty näiden samojen periaatteiden pohjalta kuluneen 150 vuoden ajan ja niitä vieläkin kehitellään mallikokeiden laadun ja tarkkuuden parantamiseksi.
Viime vuosikymmeninä on kehitystä saatu aikaan erityisesti ottamalla mukaan matemaattinen mallintaminen eri osa-alueiden (”vastuskomponenttien”) käsittelyssä. Absoluuttisesti täydelliset ratkaisut ovat idealismia, mutta tarkkuutta ja monimuotoisuutta parannetaan edelleen. Kehityksen myötä fyysisten mallikokeiden käyttö on jonkin verran muuttunut ja myös tarvittavien fyysisten kokeiden määrä on vähentynyt.
Ikään kuin sateenvarjona työn tulosten arvioinnille ovat täysmittakaavaisilla laivoilla luonnossa tehdyt mittaukset, joiden avulla menetelmiä tarpeen mukaan kalibroidaan. Lyhyesti ilmaistuna laivojen mallikokeet antavat ”monipuolisesti kalibroituja approksimaatioita”.
Jäämallikokeiden käyttö laivasuunnittelussa
Mallikokeet laivojen toiminnalle jääolosuhteissa ovat huomattavasti tuoreempi asia kuin mallikokeet avovedessä. Asiaan tartuttiin kunnolla ensimmäisenä Neuvostoliitossa mutta sielläkin vasta toisen maailmansodan jälkeen.
Suomessa jäämallikokeita ryhdyttiin hyödyntämään 1960 – luvun lopussa. Alkuvaiheessa keskityttiin erityisesti kiinteän jääkentän murtamiseen (siis tasapaksun jäämateriaalin/jääkentän rikkomiseen). Sittemmin jäämallikokeita on suoritettu ja nykyisin suoritetaan vain muutamissa eri laitoksissa maailmalla, lähinnä Venäjällä, Suomessa, Saksassa ja Kanadassa ja jonkin verran myös Japanissa, Etelä-Koreassa ja Kiinassa, monessa näistä jo melko rutiiniomaisesti.
Kauppalaivaliikenne jääpeitteisissä vesissä on luonnollisesti volyymiltään täysin marginaalista verrattuna maailman koko kauppalaivaliikenteeseen, joten tutkimukseen panostaminenkin on ollut koko laivasektorin kannalta vähäistä.
Kansainvälistä yhteistyötä harjoitetaan ITTC:n (International Towing Tank Conference) piirissä, jota varten organisaatiossa on erillinen työryhmä Specialist Committee on Ice. Tässä komiteassa on tätä nykyä kaksi suomalaisjäsentä koko porukan yhdeksästä. Kyseisellä erikoiskomitealla on jo takanaan melkein 50 vuoden historia.
Alkuvuosikymmeninä 1970- ja 1980 – luvuilla keskityttiin mallikokeissa käytettävän merijäätä simuloivan materiaalin ominaisuuksiin, toisin sanoen tavoitteena oli löytää materiaali, jonka lujuusominaisuudet (ensi sijassa taivutuslujuus) täyttivät mallinnuslakien vaatimukset. Jotta jään rikkoutumisesta aiheutuva vastuskomponentti malliintuisi oikein, mallilait edellyttävät, että mallikoejään lujuusominaisuudet suhteessa vastaaviin todellisen merijään lujuusarvoihin ovat fyysisen mittakaavan suhteessa.
Tämän seurauksena mallikoejää on sohjomaista sormiin murenevaa höttöä eikä lujaa levyä kuten on saman paksuinen aito luonnon jää. Kokeiltiin sekä erilaisia seoksia veden joukossa ja myöskin materiaaleja, joilla ei ollut mitään tekemistä vedestä muodostuneen jään kanssa.
Jääkentässä etenevän laivan kulkuvastus voidaan jakaa erilaisiin osakokonaisuuksiin. Karkealla tasolla tarkasteltuna on itse jään rikkominen, sen syrjäyttäminen (siis palasten siirtäminen laivaan nähden alas ja sivuun), kitkavoimat jääpalasten ja rungon välillä ym. Näiden osakokonaisuuksien erottaminen toisistaan on eräässä mielessä väkivaltaista, mutta ainoastaan näin mahdollistetaan kokonaisuuden hallinta.
Jäämallikokeiden tulosten luotettavuus vaatii ehdottomasti sen, että voidaan tehdä jäävastukseen liittyviä mittauksia myös täysmittakaavassa eli todellisilla laivoilla, mikä mahdollistaa menetelmien validoinnin ja sitä kautta tyydyttävän ja kehityksen myötä yhä paranevan tarkkuustason mallikoemittauksille. Tämä vaatii todellisuudessa joskus kokemusperäisten ”korjauskertoimien” käyttöä.
Kauppamerenkulku erityisesti sub-arktisilla vesillä kuten Itämeren pohjoisosassa perustuu talvisaikaan siihen, että jäänmurtajat avaavat rännejä ja avustavat kauppalaivoja avatuissa uomissa. Kauppalaivat operoivat tyypillisesti enintään pari kuukautta vuodessa jääpeitteisillä alueilla ja silloinkin tavallisesti jäiden seassa kuljetaan vain osa matkasta. Niiden jäissäkulkuominaisuuksiin ei ole perusteltua paljon panostaa, koska nämä ominaisuudet rasittavat toimintaa (taloutta) operoitaessa avovedessä.
Työnjako jäänmurtajien ja jäissä toimivien kauppalaivojen kesken on hahmottunut tänään Itämeren pohjoisosassa hyvin selkeäksi. Jäänmurtajat avaavat käytettävät väylät sekä avustavat kauppalaivoja näiden väylien läpi. Tämän työnjaon seurauksena kauppalaivojen jäätoiminnan avainkysymykseksi on muodostunut toiminta jäänmurtajan avaamassa ja ylläpitämässä jäärännissä.
Erityisesti kriittinen on laivan toimintakyky niin sanotussa vanhassa rännissä, jota on esimerkiksi käytetty useita viikkoja liikenteelle – jopa koko jääliikennekausi. Riikka Matalan työ kohdistuu erityisesti tähän ongelmakokonaisuuteen.
Jääluokkamääräykset
Itämeren pohjoisosa on maailmassa ylivoimaisesti vilkkaimmin liikennöity sellainen merialue, joka on jään peittämä merkittävän osan vuodesta – pohjoisimmilla alueilla Perämerellä tyypillisesti 3 – 5 kuukautta vuodessa. Nykymaailmassa kilpailukykyisen teollisuuden edellytyksenä ovat luotettavat ja säännölliset kuljetukset, eikä merkittäviä myöhästymisiä sallita. Tämä asettaa kovat vaatimukset jäänmurtajapalveluille ja myös kauppalaivojen jäissäkulkukyvylle. Toiminnan perustana ovat toisaalta kauppalaivoja koskevat tekniset ja operatiiviset vaatimukset (jäämaksuluokat) ja toisaalta jäänmurtaja-avustuksesta vastuussa olevan jäänmurtajalaivaston toimintakyky.
Talous on luonnollisesti kaiken taustalla. Jääoperoinnista aiheutuvat lisäkustannukset – kohdistuivatpa ne varustamoille tai jäämurtajapalvelut järjestävälle julkishallinnolle – eivät saa aiheuttaa kilpailukykyä liikaa vaikeuttavia ylimääräisiä kustannuksia merikuljetuksille.
Laivojen jääluokitus ja jääsäännöt ovat olleet käytössä vuosikymmeniä ja niihin on joustavasti tehty muutoksia, kun tutkimustietoa on syntynyt ja kun kokemusta on karttunut. Suomalais-ruotsalaiset jääluokkasäännöt on omaksuttu koko maailmassa sub-arktisen alueen jääluokkasäätelyn perustaksi. Nimenomaan suomalaisten viranomaisten, varustamoiden, telakoiden, laivasuunnitteluyritysten ja tutkimuslaitosten rooli on korostunut jääluokkasääntöjen kehittämisessä. Suomalaispanos näiden sääntöjen kehittämisessä on ollut paljon merkittävämpi kuin ruotsalaispanos. Siitä korostus yllä.
Riikka Matalan väitöskirjatyö kohdistuu jääluokkamääräysten osalta etenkin kauppalaivoille vaadittavan minimitehon määrittämiseen. Säännöissä nimittäin kerrotaan selkeästi, miten miniteho lasketaan, jotta laiva voi saada tietyn jäämaksuluokan, mutta samalla todetaan, että jäämallikokeiden avulla varustamo voi halutessaan osoittaa, että laiva selviää vaadituista olosuhteista kaavan määrittämää minimitehoa pienemmälläkin kokonaisteholla.
Tätä lisäystä käytetään nykyään hyvin yleisesti erityisesti alhaisen tehon omaavien kauppalaivojen jääluokkakeskustelussa. Väitöskirjatyö antaa tähän kysymykseen huomattavasti lisävalaistusta ja onkin odotettavissa, että jääluokkasäännöt tässä suhteessa kehittyvät entistä paremman kokonaistalouden varmistavaan suuntaan.
Yksi merkittävimmistä Riikka Matalan johtopäätöksistä on, että laivojen rännivastuksen määrittelyssä saattaa olla hyvät edellytykset tuoda mallikokeiden rinnalle matemaattisen mallintamisen menetelmiä. Kalibrointi vähintään täysmittakaavakokeilla tulee kuitenkin säilymään välttämättömänä osana kokonaisuutta.
Jääluokkamääräysten historia osoittaa, että tutkimustuloksia on pystytty erittäin nopeasti sisällyttämään määräyksiin ja ohjeistukseen, mikä on poikkeuksellista tehokkuutta valtion hallinnossa. Tämä varmaankin heijastuu jääluokkasäännösten perusluonteesta. Jäämaksuluokan täyttäminen ei ole yksittäisen aluksen liikennöinnille asetettu ehdoton vaatimus, mutta vaatimusten täyttäminen on ehdoton edellytys jäänmurtaja-avun saannille.
Hallinnointi pohjautuu pitkälti siihen, että jääolosuhteiden kehityksen myötä viranomaiset muuttavat toimintakauden kuluessa jääluokka- ja laivakokorajoituksia, eli siis vahvistavat, mitkä alukset ovat oikeutettuja jäänmurtaja-avun hyödyntämiseen milläkin alueella. Järjestelmä on ollut käytössä vuosikymmeniä ja osoittanut toimivuutensa.
Oleellista on tietysti myös järjestelmän jatkuva kehittäminen sen mukaan kuinka liikenne ja kauppalaivasto kehittyvät ja kuinka uusia tutkimustuloksia saadaan aikaan. Jälkimmäisestä Riikka Matalan väitöskirjatyö on hyvä esimerkki.
Tulevaisuus
Historian perusteella voi otaksua, että Riikka Matalan väitöskirjatyön tuloksia tullaan jo lähitulevaisuudessa käyttämään jääluokkasääntöjen edelleen kehittämisessä. Sen lisäksi, että jäissä tapahtuvan kauppamerenkulun kokonaistaloudelliset kustannukset tulee pitää monesta syystä minimissään, myös toiminnan suuressa kuvassa tapahtuu muutoksia.
Yleiset energiansäästötavoitteet merenkulussa johtavat siihen, että kauppalaivojen suunnittelussa pyritään nykyistä merkittävästi alhaisempiin konetehotasoihin. Tällä tulee olemaan merkittävä vaikutus jäissäkulkutoiminnan rakenteeseen. Kauppalaivojen tehot tulevat laskemaan, mikä johtaa yleisellä tasolla jäänmurtaja-avustustarpeen kasvuun. Yhteiskunnan on katsottava kokonaisuutta ja erityisesti tasapainoiteltava palvelutason ja kokonaiskustannusten välillä.
Merkittävä lisätekijä on myös se, kuinka kokonaiskustannukset jakautuvat eri toimijoiden kesken. Lähinnä on siis kysymys tasapainosta varustamoelinkeinon (ja näiden taustalla olevien rahdinantajien) sekä julkishallinnon kesken.
Merituulivoima-alan väistämätön kehittymien ja laajentuminen tulee vaikuttamaan talvimerenkulun suureen kuvaan. Merituuliala tuo mukanaan lisätarpeita toiminnalle jäissä mutta samalla myös muita muutoksia, joilla saattaa olla huomattavat taloudelliset vaikutukset. Jo ensi vuosikymmenen alussa tällä voi olla merkittävä vaikutus talvimerenkulun kokonaiskuvaan.
Jos katsotaan kehitystä Suomen merenkulun ja meriteknisen teollisuuden kannalta, niin voidaan todeta suuria muutoksia pitkällä tähtäimellä. Kolme merkittävintä jo tänään selvästi nähtävissä olevaa globaalia kehitystä ovat:
• Venäjän markkinoiden sulkeutuminen ja Venäjän itse aiheutettu vetäytyminen kaikesta kansainvälisestä yhteistyöstä. Niin kuin artikkelin alussa todettiin, Venäjällä oli aikoinaan uranuurtajan rooli jääpeitteisten vesien merenkulussa ja siihen liittyvässä tutkimuksessa
• Öljy- ja kaasusektorin luopuminen hankkeista koko läntisen Arktikan alueella (lähinnä siis USA ja Kanada). Tämä on tietysti seurausta niistä globaaleista päätöksistä, joiden mukaan maailma tulee luopumaan fossiilisten polttoaineiden käytöstä todennäköisesti jo muutaman vuosikymmenen sisällä
• Erityisesti subarktisilla alueilla jääpeitteen väheneminen ilmastomuutoksen seurauksena. Tämä kehitys on hidasta, mutta hyvin ilmeisesti kehityksen suunta ainakin lähimmän muutaman vuosikymmenen aikana
Näillä tekijöillä on merkittävä vaikutus jäissä tapahtuvan merenkulun suureen kuvaan ja tietysti myös alan tutkimuksen volyymiin tulevaisuudessa. Toisaalta, vaikka nämä vaikutukset globaaliin jäissätoimintaan liittyvään markkinaan ovat negatiivisia ja ehkä hidastavat kehitystä, Suomen suhteellinen asema tällä erikoissektorilla varmaankin tulee vahvistumaan, varsinkin koska Itämeren liikenteelle on näköpiirissä uusia tarpeita ja haasteita. Kanadan telakkateollisuuden turvautuminen Suomen osaamiseen on tästä hyvä esimerkki. Vastuu kaatuu entistä enemmän suomalaisille instituutioille ja yrityksille, kun muualla länsimaissa ei ole saman tason prioriteetteja ja koska Venäjä on kuvioista totaalisesti ulkona epämääräisen mutta varmaankin pitkän ajan.
Teksti Eero Mäkinen
kuvat Riikka Matalan arkistot
