Aker Arctic Technology on maailman johtava jäissä kulkevien alusten suunnitteluyritys. Sen mallikoeallas Vuosaaren sataman kupeessa on kuin jättimäinen pakastin – ja usein siellä tekee töitä tutkimusinsinööri Riikka Matala toppatakissaan.
– Minun työnäni on ajaa kauko-ohjattavia laivoja jääaltaassa. Vitsailen opiskelijaryhmille, että minulle maksetaan tästä vieläpä palkkaa, Matala kertoo.
Joskus altaan jäissä ui suunnittelupöydällä olevan kauppalaivan pienoismalli. Sille mitattu jäävastus kertoo, millaisen konetehon täysikokoinen laiva tarvitsee Suomen ja Ruotsin satamissa tarvittavan jääluokan saavuttamiseen.
– Havaitsin väitöstyössä, että osa prosesseista, jotka vaikuttavat nykyaikaisen kauppalaivan jäävastukseen, eivät mallinnu realistisesti nykyisellä mallikoemenetelmällä, kertoo Matala väitöstilaisuutensa lektioluennon kuulijoille joulukuussa 2023.
Erityisesti uusien pystykeulaisten kauppalaivojen jäävastuksen määrittäminen nykymenetelmällä on vaikeaa.
Jääluokitus määrää
Maailman kauppalaivasto on uudistumassa entistä energiatehokkaammaksi, mutta jäissä ne kulkevat entistä huonommin. Normaalinakin talvena kaikki Suomen satamat saavat jääpeitteen.
Ankarina talvina lähes koko ulkomaankauppa pysähtyisi ilman jäänmurtajien apua. Talvikaudella astuvat voimaan liikennerajoitukset. Silloin jäänmurtaja-apua tarjotaan liikennerajoitusten mukaan vain jääluokitetuille aluksille.
Suomalais-ruotsalainen jääluokitus määrää, millaisen jäävahvistuksen ja konetehon laiva tarvitsee pystyäkseen etenemään riittävällä nopeudella jäänmurtajan avaamassa jäärännissä satamaan.
Korkeimman 1A Super -jääluokan laivat suunnitellaan operoimaan jäärännissä ilman jäänmurtaja-avustusta. Matalampien jääluokkien laivat seuraavat yleensä jäänmurtajaa. Energiatehokkuuden nimissä niiden keulamuoto on usein entistä pystympi. Sellaista on perinteisesti vältetty jäissä kulkevissa laivoissa.
Väitöstyön aihe löytyi vuosia sitten, kun Matala kollegoineen määritti pienoismallikokeessa jäävastusta uuden kauppalaivan runkomuodolle.
– Mittasimme sillä paljon odotettua korkeamman jäävastuksen.
Myöhemmin todettiin, että merellä vastaavat laivat kuitenkin kulkevat jäänmurtajan avaamassa rännissä ongelmitta. Näytti siltä, että koemenetelmässä on jotakin vialla.
– Menetelmän pitää olla reilu. Maailmassa on vain kourallinen laboratorioita, jotka voivat huomata tämän. Koin, että asialle pitää tehdä jotain.
Kemin jääränniä tutkimassa
Helmikuussa 2018 Riikka Matala oli kahden kollegansa kanssa kelluntapukuihin sonnustautuneita meren jäällä Kemin edustalla. Moottorikelkalla EU-alueen pohjoisimpaan yleissatamaan johtavan jäänmurtajarännin reunalle saapunut arktinen retkikunta herätti taatusti hämmästystä satamaan kulkevien laivojen komentosillalla.
Mittausretkikunta ylitti kookkaista lohkareista muodostuvan sakean jäärännin pieni lautta apunaan. He kairasivat kuutisenkymmentä reikää läpi jääpuuron mitatakseen jäärännin poikkileikkausprofiilin kahdeksasta eri kohdasta. Mittausten jälkeen jäärännin läpi ajoi varsinainen tutkimuskohde, moderni kauppalaiva. Laivan etenemiseen tarvittava koneteho rännin eri kohdissa tallennettiin tarkasti.
Vuosaaren jäälaboratoriossa luontoa matkivan 1:20-mittakaavaisen jäärännin valmistukseen on tarkka jääsäännön mukainen resepti. Tavallisesti mallijää tehdään sumuttamalla vettä kerros kerrallaan ohuen jääriitteen päälle.
– Jäätä muodostuu milli kerrallaan, alhaalta ylöspäin. Sumutusta jatketaan, kunnes jään paksuus on haluttu. Sitten heikkoa mallijäätä pakastetaan tiettyyn pakkassummaan tavoitelujuuden saavuttamiseksi, Matala kertoo.
Jääasiantuntijoilla on tarkka tieto siitä, millä pakkassummalla jään lujuus on mallimittakaavan vaatima ja koe voidaan aloittaa. Jos koe on tarkoitus suorittaa rikotussa jäärännissä, täytyy ehjään jääkenttään rikkoa ränni.
– Leikkaamme mallijäähän kaksi kertaa laivan levyisen rännin ja rikomme rännin sisäpuolisen jään pieniksi paloiksi.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Mallijää on alun perin kehitetty mallintamaan jäänmurtajan vastusta sen murtaessa tasaista jäälakeutta. Jäänmurtajan koneteho kuluu pääosin jääkentän murtamiseen ja jääpalojen upottamiseen laivan rungon alle. Mallijää on luonnonjäätä heikompaa, koska jään taivutuslujuus pitää sekin skaalata mallimittakaavaan.
Kun pystykeulaisen kauppalaivan pienoismalli pannaan uimaan koealtaaseen tehtyyn jääränniin, muuttaa pehmeä mallijää helposti muotoaan ja sohjoontuu. Keulaan muodostuva sohjovyö pysäyttää helposti mallilaivan kulun jäärännissä.
– Merkittävä osa pystykeulaisten laivojen vastuksesta muodostuu jääpalojen siirtämisestä sivulle ja kasautumisesta. Tämä vastuskomponentti ei mallinnu realistisesti pehmeässä mallijäässä.
Jääpuuroa miniatyyrikoossa
Mikä on realistisempi vaihtoehto? Yksi vastaus löytyy kaupan hyllyltä.
Kun jääkoealtaan rännimassa koostuu altaassa jäädytetyn mallijään sijasta kaupan pakastealtaan kovista jääpaloista, mallintuu myös pystykeulaisten laivojen jäävastus realistisemmin. Rännimassa käyttäytyy pienoismallin ympärillä samalla tavoin kuin täysikokoisen laivan edetessä Kemin satamaan johtavan rännin jättikokoisessa jääpuurossa.
Riikka Matalan vuosien tutkimustyö on koottu väitöskirjan kansien väliin. Työ selvittää jäärännissä etenemisen perusfysiikkaa: millä voimilla ja prosesseilla on suurin merkitys laivan rännivastuksessa. Väitöstyö ehdottaa myös uudistettua testimenetelmää laivojen rännivastuksen määrittämiseen. Se tekee menetelmästä nykyistä reilumman.
– Tavoitteena on varmistaa, että jatkossakin saman jääluokan laivojen suorituskyky jäissä on samanlainen.
Maailmassa on kymmenkunta jäälaboratorioita, jotka kaikki ovat ITTC:n (International Towing Tank Conference) jäseniä. Seuraavaksi työn tulokset on tarkoitus esitellä yhteistyöjärjestössä.
Lopullinen tavoite on kehittää mallikokeiden rinnalle toimiva laskennallinen menetelmä jäävastuksen määrittämiseen.
Vaikka mallikokeissa mitattu jäävastus on vain pieni osa talvimerenkulun kokonaisuutta, on se yksi tärkeä järjestelmän palanen.
– Talvimerenkulku on yhteiskunnallisesti välttämätöntä. Merenkulun päästöjen minimointi on tärkeää, koska se on ainoa tapa kuljettaa tällaisia tavaravolyymejä. Haluaisin että talvimerenkulkujärjestelmä toimisi optimaalisesti, ja mahdollisimman ympäristöystävällisesti.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Riikka Matalan tie tekniikan tohtoriksi
- 1987. Riikka Matala syntyy Helsingissä.
- 2003. Matala aloittaa Helsingin musiikkipainotteisessa Sibelius-lukiossa.
– Minulla oli todella hyvä matematiikan ja fysiikan opettaja. - 2006. Aloittaa opinnot TKK:lla.
- 2007. Ensimmäisenä opiskeluvuonna kesätöihin Aker Arcticille.
– Sillä tiellä olen edelleen. - 2012. Diplomityö jään ominaisuuksista valmistuu, Matala aloittaa täysipäiväisenä Aker Arcticin tutkimusinsinöörinä.
- 2014. Kauppalaivan pienoismallikokeessa sille mitattu jäävastus on paljon odotettua suurempi. Väitöskirjan aihe on löytynyt.
- 2023. Töiden ohessa syntynyt väitöstyö "Verification of vessel resistance in old brash ice channels through model scale tests" hyväksytään Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Haluan vaikuttaa siihen, että talvimerenkulku toimii optimaalisesti, ja sen päästöjä saa viilattua alemmas.
Suosikkileikkikalu?
– Saksofoni. Siitä löytyy aina uusi vaikeustaso.
Lempiharrastus?
– Tähän aikaan vuodesta hiihto.
Rakkaudesta lajiin
Musiikkilukiota käyneellä Riikka Matalalla oli opiskelupaikkaa miettiessä romanttinen ajatus insinöörin työstä.
– Käydään töissä ja sitten illalla mennään konsertteihin ja luetaan hyviä kirjoja. Ihan niin se ei mennyt, kyllähän työ vei mukanaan, hän kertoo.
Aalto-yliopiston energiatekniikan opiskelija tutustui ensimmäisen opiskeluvuoden kesätyön aikana laivanrakennusalaan, ja se oli menoa.
– Ihastuin laivanrakentajissa siihen, että hommia tehtiin rakkaudesta lajiin.
Tutkimustyö on Riikka Matalalle tuttua, sillä Matalan isä on marjantutkija, samoin kaksi siskoa ovat tutkijoita.
Samaa hommaa tekee myös Aker Arcticin tutkimusinsinööri laivojen jääsuorituskykytiimin vetäjänä.
Väitöskirjan tutkimushankkeita rahoitti Talvimerenkulun säätiö.
– Työnantajan kanssa sovimme, että voin kirjoittaa väitöskirjaa työajalla, jos työtilanne sen sallii. Kirjoitusvapaatakin olisin saanut.
Sitä ei tarvittu. Väitöskirja syntyi töiden lomassa, yksi tutkimusartikkeli vauvan kanssa kotona ollessa.