Länk till trycksaken - Plan Sju kommunikation AB
Unga forskare En satsning på skarpa hjärnor i Norrbotten BAKOM ”UNGA FORSKARE” FINNS MODIGA FINANSIÄRER Luleå kommun, Luleå tekniska universitet, Länsstyrelsen Norrbotten, Norrbottens Forskningsråd, Norrbottens läns landsting Unga forskare En satsning på skarpa hjärnor i Norrbotten LARS STEHN Inledning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 GODECKE BLECKE Allt är inte vatten som porlar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 KENTARO UMEKI Mindre sot med vågornas ljud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 JENS HARDELL Het kunskap om friktion och slitage. . . . . . . . . . . . . . . . 13 FAIZ ULLAH Salt lösning på globalt problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 MARCUS BJÖRLING Stickspåret som kan bli världsnyhet . . . . . . . . . . . . . . . . 19 GULNARA ZHABELOV Energivinster med smarta ”proncumenter”. . . . . . 21 DAMIANO VARAGNOLO Matematik som språk och tanke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3 Unga forskare – en stor satsning i en modig region F orskning och utveckling är betydelsefullt för framtidens näringsliv och samhälle. Norrbot tens Forskningsråd startade 1986 för att stödja vetenskap vars resultat är viktigt för länet. Stiftare är länsstyrelsen och landstinget i Norrbotten och Luleå tekniska universitet. Men bakom all forskning finns det forskare. Ny fikna och fantastiska människor som brinner för att lösa gåtor. Vi vill att de ska göra det på Luleå tekniska universitet och inte någon annanstans i världen. Därför satsar vi i Norrbottens Forskningsråd särskilt stort på unga forskare tillsammans med våra stiftare samt Luleå kommun. ”Unga” kallas de när det har gått högst fem år sedan de tog sin doktorsexamen. De har skaffat sig betydande kunskaper och kontaktnät inom sina områden och kan välja att förverkliga sina idéer var som helst. U nga forskare är en kraftfull utlysning där tre års arbetsro är moroten. Värdefull tid som dessa engagerade människor får ägna åt ny skapande och kvalificerad forskning. Vi prioriterar dem som har projekt som stärker Luleå tekniska 4 universitets vetenskapliga position och bidrar till Norrbottens utveckling. Finansiering utgår med maximalt en miljon kronor per år i två år med möjlighet till ett tredje år för projekt som utvärderas positivt. Totalt stöd till en person är därför tre miljoner kronor fördelat på tre år. Att satsa på lovande personer ökar chansen till stora forskningsgenombrott. Visst vore det fantas tiskt om fler världsnyheter inom forskningen kom från Norrbotten? Framgångsrika forskare löser stora problem och förbättrar världen. Dessutom är de till växtmotorer som tack vare sin kompetens attraherar doktorander och forskarkollegor. Satsningen Unga forskare är modig och modern. Den är en bild av det nya Norrbotten, en region som utvecklas och utvecklar i dialog med världen. Lars Stehn VD, Norrbottens Forskningsråd 5 GODECKE-TOBIAS BLECKEN Universitetslektor, VA-teknik Luleå tekniska universitet 6 Allt är inte vatten som porlar Det porlar och rinner i gatubrunnar och diken men på sin väg drar vattnet med sig föroreningar. Att fördröja och rena dagvatten innan det når vattendragen blir mer och mer aktuellt. Likaså att förebygga översvämning och att använda dagvatten för att skapa miljöer. TEXT: GUNNEL E VIDÉN U nder marken finns förstås ett ledningssystem för avlopp som går till reningsverk. Men i ett annat ledningssystem rinner dagvattnet och det leds orenat ut i närmsta vattendrag. I Luleå finns över 200 utsläppspunkter. Det är den ingenjörskonst som vi är vana vid. Det är hög tid att utveckla alternativen, inte minst för att miljökraven kommer att bli hårdare och flödena av dagvatten ökar med urbanisering och klimatförändringar. – Det finns många andra sätt att transportera dagvatten som är mer miljövänliga, säkrare mot översvämningar och mycket vackrare. Öppna dagvattensystem som både renar, fördröjer och leder bort vattnet. En grön infrastruktur som inte bara löser ett problem utan också tillför nya värden, berättar Godecke Blecken, forskare vid Institutionen för samhällsbyggnad och natur resurser vid LTU. Gröna tak i kallt klimat Gröna tak är ett exempel, där tar växterna hand om det mesta vattnet. En av de utmaningar som Godecke Blecken och hans kollegor arbetar med är att hitta växter som tål vårt kalla klimat. – Vi ska prova oss fram med olika fetbladsväxter för att se vad som fungerar, säger Godecke Blecken. Godeckes eget cykelskjul är ett av Luleås två gröna tak. Där provar han sig fram. Även på det andra gröna 7 taket, på en flerfamiljsfastighet på Köpmangatan, kommer försök att genomföras. Vackra regnträdgårdar renar vatten Dagvatten kan också tas om hand med biofilter i en ”rain garden”. Det är växtbevuxna bäddar där mycket vatten tas upp av växterna och det som blir över filtreras och renas i det anpassade sedimentet. Andra metoder är svackdiken där vatten rinner långsamt, filteranläggningar, fördröjningsanläggningar och dag vattenvåtmarker. Tekniken och metoderna finns, men utvecklingen går ändå långsamt. Gamla gränser hindrar nytänkande Godecke Blecken säger att hela systemet är trögför änderligt. Det handlar om traditionella ingenjörer och planerare. Det handlar också om att vissa vinster med hållbara dagvattenlösningar är svårplacerade i en kommunal budget, som minskad översvämningsrisk till exempel. Den risken kanske bara uppstår vart hundrade år. Och hur värderar man renare vatten i fjärdar och vattendrag? – Underhållet är också en utmaning. Den kom munala organisationen är mer i fas med de gamla lösningarna. En rain garden till exempel, är det en grön yta eller en dagvattenanläggning? Ja, det är ju egentligen både och, men är det då park eller VA som ska underhålla den? Ett öppet dagvattensystem involverar flera kom munala förvaltningar och ofta andra intressenter. Det kräver samarbete och gränsöverskridande planering. Det är svårare än man tror. Hållbara lösningar kräver hållbar samverkan Godecke Blecken är intresserad av de processer som krävs för långsiktigt underhåll av grön dagvatten hantering. Han har sett alltför många bra satsningar förspillas eftersom de slutar fungera efter en tid. Som 8 exempel berättar han om vattengenomsläpplig asfalt som finns på ett par gator i Gammelstad och i Hapa randa. Det var en lyckad satsning men nu har asfalten täppts igen av stoft och sand eftersom gatorna inte har rengjorts som de ska. Lösningen fungerar inte längre för dagvattenhantering. – Det är ofta problem med bryggan mellan genom förande och fortsatt underhåll. Det saknas rutiner och praxis, säger Godecke Blecken Hållbarhet åstadkoms alltså inte bara med rätt teknisk lösning, det krävs också människor som samverkar långsiktigt och flexibelt. Det första har kommit långt men det andra är fortfarande ett hinder för utveckling. I Luleå finns ledande kompetens Luleå tekniska universitets kompetenskluster inom dagvattenhantering är det främsta i landet och ett av de ledande i Europa. Kunskap från Luleå kan bli av görande för ett brett införande av hållbar och modern dagvattenhantering. Medlen från Norrbottens forskningsråd ger Go decke Blecken och hans kollegor möjlighet att komma flera steg vidare. Nu arbetar de för att anpassa öppna dagvattenlösningar för kallt klimat, utveckla möjlig heterna för effektivt underhåll samt utveckla andra värden som öppna dagvattenanläggningar kan ge. DAGVATTEN ”Dagvatten” består av regn och smältvatten som rinner av från tak, gator och andra hårda ytor. Att avvattna staden och transportera bort dagvattnet har vi för det mesta löst med gatubrunnar och ledningar under mark som leder dagvattnet till närmsta vattendrag utan rening. Dagvatten är förorenat eftersom det tar med sig tungmetaller, olja, partiklar, bakte rier och annat på sin väg ner till rörledningarna. KENTARO UMEKI Biträdande professor, Energiteknik, Luleå tekniska universitet Mindre sot med vågornas ljud Det finns en vision att skapa ett ”fossilfritt” samhälle till 2030. Om det ska bli verklighet behövs ny teknik och nytt tänkande, inte minst beträffande våra fordon. Enligt energiforskaren Kentaro Umeki kan biobränsle vara en av nycklarna. Men då måste först mängden sot som bildas vid produktionen reduceras ordentligt. Lösningen kan vara ljud. TEXT: VIKTOR JOHANSSON 9 N orrbotten har enorma möjligheter att tillverka eget biobränsle från skogsindustrins restpro dukter som rötter, bark och grenar. – Energi är en avgörande framtidsfråga för hela världen. Vi måste utveckla alternativ till fossila medel, och här är biobränsle lovande. Det är häftigt att rest produkter kan omvandlas till värdefull energi, säger Kentaro Umeki. En effektiv och pålitlig tillverkning av biobränsle skulle på sikt kunna göra Norrbotten oberoende fossila drivmedel. Men det finns ett problem som först måste lösas. Eller snarare lösas upp. Idén om ljud Rätt med ljud Kentaro Umeki kom i kontakt med en intressant studie om förbränning som tidigare utförts vid uni versitet i Luleå. – Det är känt att förbränning i en motor skapar ljud. Studien visade att om ljudnivån var tillräckligt hög kunde ljudvågorna påverka eller skada både motor och gas. Den upptäckten skulle visa sig bli viktig. Aha-ögonblicket uppstod när Kentaro Umeki och hans kollegor genom en slump lyckades koppla samman två helt skilda forskningar. – På den ena sidan hade vi studien från universi tetet i Luleå om hur ljud kan påverka gasen i en förbränningsmotor. På den andra sidan hade vi en annan studie som visade att sotbildningen troligen kan minskas om gasen i tanken blandas så pass bra så att träpartiklarna hamnar nog långt från varandra. Om nu ljudvågorna påverkar gasen vid förbränning, samtidigt som bättre blandning kan motverka sot bildning, då kanske vi borde experimentera med att tillsätta ljud vid förgasningen, säger Kentaro Umeki. Högtalare placerades ut vid förgasningslågan intill tankens mynning, i närheten av där sotet bildas. Sedan överlämnades jobbet åt ljudets vågor. Det visade sig att idén fungerade. Inte nog med att ljudvågorna blandade runt gasen bättre. När det skedde separerades träpartiklarna mycket riktigt tillräckligt långt från varandra och sotbildningen reducerades kraftigt. Sot Biomassa består av träpartiklar. När de löses upp i tanken under förgasningen klumpar vissa ämnen ihop sig och bildar tjära och sot. När gasen från tanken passerar genom synteskatalysatorn tätnar kataly satorn igen och tappar sin effekt. Processen måste då avbrytas för rengöring och avbrotten gör produktio nen kostsam, ineffektiv och opålitlig. Om biobränsle ska kunna ersätta fossila drivmedel måste mängden sot och tjära i gasen reduceras ordentligt. Men hur ska det gå till? 10 Nödvändig separation BIOBRÄNSLE En teori var att om träpartiklarna befann sig längre från varandra när de väl började lösas upp i tanken, så skulle sammanklumpningen av olika ämnen troligen försvåras och sotbildningen reduceras. Men där upp stod nästa kritiska fråga: hur separerar man träpartik larna på ett effektivt och pålitligt sätt? Tillverkningen av biobränsle kan ske genom förgasning, en process där biomassan via förbränning utan syre blir till väte och kolmonoxid. Med hjälp av en katalysator förvandlas gasen sedan till flytande biobränsle. Rätt ljud Just nu utforskar Kentaro fenomenet ytterligare för att komma underfund med vilket ljud som fungerar bäst. Däri ligger projektets utmaning. – Just nu undersöker vi vilken decibel och frekvens som ger den perfekta blandningen. Målet är att jobba fram en programvara som kan simulera vilket ljud som fungerar bäst. På så sätt kan vi paketera en pro dukt och göra lösningen universal. Helt rätt plats Enligt Kentaro Umeki har Norrbotten en perfekt blandning av industrier och när det gäller studier av grön energi är universitetet världsledande. Men det som inte minst gör Norrbotten till en lovande produ cent av just biobränsle är tillgången på råvara. – Skog kan inte flytta. Då måste produktionen, före tagen och jobben lämpligen också finnas här, och då ska så klart forskningen bedrivas här, säger Kentaro Umeki. På sikt kan biobränsle utvecklas till ett kostnads effektivt, hållbart och lokalt producerat alternativ till fossila drivmedel. Tack vare ljudvågor. 11 JENS HARDELL Biträdande professor, Maskinelement Luleå tekniska universitet 12 Het kunskap om friktion och slitage Forskningens kärna är att kontrollera och förutse. Så även inom tribologi. Jens Hardell berättar att 30 procent av energin i fordonsbränsle förspills på grund av friktion. Två till fyra procent av världens samlade BNP förloras på grund av otillräcklig smörjning och slitage. Det finns alltså mycket att vinna på att kontrollera och förutse friktion och slitage. TEXT: GUNNEL E VIDÉN T ribologisk kunskap är en nyckelfaktor både ekonomiskt och miljömässigt och mycket är outforskat. Det område som har blivit Jens Har dells arbetsfält är högtemperaturtribologi. – Vi har länge vetat att friktionen oftast minskar vid höga temperaturer. Vi vet också varför den gör det. Däremot vet vi inte hur det kan kontrolleras och styras, och det intresserar mig, säger Jens Hardell. Den gåtan hör till grundforskningsdelen i Jens Hardells arbete. Han berättar att vid temperaturer kring 400 grader bildas ett oxidskikt på metall, ett skikt som har smörjande effekt och skyddar ytan. – Vi studerar skiktet på molekylnivå. Drömmen är att kunna skapa det skiktet artificiellt redan från början men för att komma dithän behöver vi veta mycket mer. Jens Hardell undersöker vad som händer tribo logiskt vid olika hastigheter, tryck, temperatur och materialkombinationer. Genombrottet vore att kunna ta fram processkartor som exakt beskriver de tribo logiska förhållandena vid en viss kombination för ett visst material. Sådan information skulle vara mycket användbar i industrin och spara både dyrbar ställtid, energi och material. 13 Ett skikt som överraskade En aha-upplevelse kom när Jens Hardell och hans kol legor såg att det finns ett segt skikt mellan material och oxidskikt. Det hade de anat innan men inte sett det på just detta stålmaterial. – Den upptäckten leder oss framåt. Hur och när bildas det där mellanskiktet? De experiment vi gjort pekar på några olika saker. Vi har också provat att först bilda skikten och sedan låta materialet svalna innan det hettas upp igen. Då fanns skikten kvar och det är önskvärt när man eftersträvar motståndskraft mot slitage, säger Jens Hardell. Den här upptäckten presenterade Jens Hardell på en välbesökt nötningskonferens i Toronto vilket väckte stort intresse. Konkret nytta i industrin Om det finns mycket outforskat inom högtempe raturtribologi så finns det ännu mer kvar att göra inom applikationen presshärdning. Den industrinära forskning som Jens Hardell arbetar med handlar om det. Samarbetet med Gestamp HardTech i Luleå pågår sedan mer än tio år. Presshärdning är en effektiv me tod för att skapa fordonsdetaljer av stål med mindre materialåtgång (lättare vikt) och samma eller högre styrka och säkerhet. Det heta stålämnet formas och härdas i samma moment i ett presshärdningsverktyg. – Vi har ett nära samarbete. Luleå har en unik infrastruktur för undersökningar och tester med uni versitetets Tribolab och Gestamp HardTechs pilotan läggning, säger Jens Hardell. Samarbetet och utrustningarna är en konkurrens fördel i rekryteringen av forskare och doktorander. För Gestamp HardTech innebär det konkurrensförde lar eftersom utvecklingen av presshärdningsverkty gen är en nyckel för effektiv och lönsam produktion. Verktyget är nyckeln – Rätt material och yta Ett av problemen är att material från stålplåten fast nar på verktyget och leder till underhållsstopp. – Verktygen kan tillverkas av olika stålkvaliteter och ytan kan beläggas och slipas på olika sätt för att minska vidhäftningen, säger Jens Hardell. – Men den stora frågan är; hur påverkas verktygs nötningen av temperaturen? Det behövs detaljerad kunskap för att välja rätt verktygsmaterial och yta. Det är de två parametrar vi kan påverka, säger Jens Hardell. Luleå har Sveriges största tribologigrupp TRIBOLOGI Tribologi kommer av grekiskans ”tribo” som betyder gnida. Tribologi är läran om två ytor som möts och rörs. Friktion, nötning och smörjning är faktorer som utforskas och åtgärdas. 14 Medlen från Norrbottens Forskningsråd gör att Jens Hardell kan gräva djupare och skapa ny kunskap. Han vill samverka i många projekt med fördjupning i intressanta frågor som kommer upp. – Vi kan öppna undersökningarna och lägga till fler spår att undersöka. Det är ovärderligt för att komma vidare på ett så här pass outforskat område. Jag blir kunskapsbäraren som ser helheten och kan lägga pusslet, säger Jens Hardell. Luleå stärker sin ställning som Sveriges största tribologigrupp och Europas bäst utrustade infrastruk tur för tribologiforskning. FAIZ ULLAH SHAH Biträdande universitetslektor, Kemiteknik Luleå tekniska universitet Salt lösning på globalt problem Enligt FN:s klimatpanel måste utsläppen av koldioxid minskas med 30 till 85 procent fram till 2050 för att halten i atmosfären ska stabiliseras. Det här är problem som måste hanteras nu, men hur? Lösningen kan vara salt. TEXT: VIKTOR JOHANSSON 15 U ngefär hälften av koldioxiden som släpps ut kommer att stanna i atmosfären under flera århundraden. Gasen måste därför avskiljas, fångas in och lagras direkt vid utsläppet. Det kan man göra genom att skapa kemiska reaktioner som binder samman ämnen på molekylnivå. Att avskilja och binda koldioxid görs redan idag. Tanken är rätt, men ämnet har varit fel. Rätt tänk – fel ämne Hittills har aminer – typer av kemiska ammoniak föreningar – varit det effektivaste sättet att binda koldioxid. Men ämnet har stora brister. Dels är bind ningen instabil och känslig för exempelvis tempera turförändringar, vilket innebär att koldioxiden kan frigöras vid fel tillfälle. Aminer ingår heller inte i ett slutet kretslopp. Ämnet är flyktigt och när en del av det går förlorat under processen måste nya aminer hela tiden produceras, något som är ineffektivt och kostsamt. Salt lösning Lösningen kan finnas i salt, eller så kallade joniska vätskor. Precis som med aminer kan saltlösningar binda koldioxid direkt vid industriernas utsläpp, men till skillnad från aminer verkar joniska vätskor vara ett närmast perfekt alternativ. – Ämnet är mycket stabilare och inte alls lika flyktigt. När koldioxiden väl är separerad och bunden i de flytande lösningarna så förblir den bunden tills vi väljer att frigöra den. Det kan man göra genom 16 att tillsätta kväve. Det fantastiska är att de joniska lösningarna är miljövänliga och naturliga. De är en typ av salt som kommer från helt ofarliga amino syror. Du kan praktiskt taget äta dem, berättar Faiz Ullah. En kemisk cykel När koldioxiden väl är bunden kan den transporteras, komprimeras och förvaras. Men den kan framförallt återanvändas vid annan produktion, exempelvis inom läkemedelsindustri. – Med rätt saltlösning kan utsläppen förvandlas till en hållbar kemisk cykel där människan på ett bättre sätt tar ansvar för sin miljöpåverkan, säger Faiz Ullah. Idén är inte ny. Den har sitt ursprung i USA, men när tankarna först dök upp kring 2002 var intresset svalt och tekniken begränsad. Men de senaste tre åren har det tagit fart. Designa den perfekta lösningen Att binda koldioxid är svårt och kräver precision på molekylnivå. Faiz Ullahs arbete går ut på att kemisk väg ”designa” den perfekta jonlösningen för ända målet. Det sker först teoretiskt för att sedan provas i laboratorium. – Vad händer vid olika temperaturer och tryck? Frigörs koldioxiden efter en viss tid? Om bindning arna inte är perfekta går vi tillbaka och ändrar i molekylerna, därefter provar vi igen tills det fungerar precis som vi vill, säger Faiz Ullah. Bindningen som äger rum på molekylnivå får varken vara för hård eller för lös. Om den är för hård krävs för mycket energi när koldioxiden ska bindas och frigöras. Om bindningen är för lös riskerar kol dioxiden ”fly”, exempelvis vid temperaturförändring ar under frakt. Målet med forskningsprojektet är att göra metoden tillgänglig i industriell skala, vilket vore världsunikt. MÄNNISKANS UTSLÄPP Koncentrationen av koldioxid växer i atmos fären. Människans utsläpp kommer så småningom att öka riskerna för global uppvärmning, och ett lika stort prob än dubbelt så effektivt, vilket i sin tur kan minska vårt beroende av fossila medel. Vi ser alltså stora möjligheter inom både miljö och energi, säger Faiz Ullah. Stora energivinster Men metoden bär på fler möjligheter än att drastiskt kunna minska koldioxidutsläppen från världens industrier. Den kan även komma att revolutionera vår bränsleanvändning. Om saltlösningarna används till att avskilja koldioxiden från syntesgasen vid produktionen av biobränsle kan energivinsterna bli enorma. – Biobränsle innehåller koldioxid. Om vi med samma teknik som vid industriella utsläpp separerar koldioxiden från biogasen skulle bränslet bli mer lem är växthusgasens försurning av hav och vattendrag. Den största delen av koldioxidutsläp- Allting är kemi pen kommer från värld Om rätt saltlösningar kan designas beskriver Faiz Ullah möjligheterna som ändlösa. De kan exempelvis användas som smörjmedel för metaller som alumi nium och koppar, eller inom områden som bioteknik och medicin. – Allting är kemi. Det är starten och grunden i all ting vi ser runt omkring oss. Därför kan också kemisk innovation vara lösningen på många av våra framtida utmaningar, avslutar Faiz Ullah. ens industrier, men att få folk att sluta producera och konsumera är svårt. Miljöproblemet kräver därför effektiva metod er för avskiljning och lagring. 17 MARCUS BJÖRLING Post doktor, Maskinelement Luleå tekniska universitet 18 Stickspåret som kan bli världsnyhet Marcus Björling läste en avhandling från Ohio State University och hittade ett intressant fenomen som inte förklarades. En kunskapslucka. Om någon skulle förstå och styra det fenomenet så vore det en betydande innovation! TEXT: GUNNEL E VIDÉN D är allmänt känt att en tunn men mycket hård ytbeläggning av ett diamantliknande kol-äm ne, DLC, generellt minskar slitage och friktion när två ytor möts och rörs under högt tryck. Till exempel i motorer. Men hur kan det komma sig att denna yta även påverkar friktionen när ytorna sepa reras av en oljefilm, som försöken från Ohio visade? Det som händer i oljefilmen mellan ytorna påverkar givetvis friktionen, men hur kan ytbeläggningen, 45 gånger tunnare än ett hårstrå, åstadkomma denna skillnad? Nej, det supertunna ytskiktet borde rimli gen bara påverka nötning och friktion när ytorna är i kontakt med varandra. ett stickspår i sammanhanget. Ett stickspår som skulle kunna visa sig leda till revolutionerande kunskap. Sådant triggar en tribologiforskare. Kunskapslucka väcker nyfikenhet Grundliga undersökningar startar i Luleå Det var konstigt. DLC minskade friktionen även i de fall där ytorna separerades av en oljefilm, experimen ten från Ohio talade sitt tydliga språk. I avhandlingen presenterades inga förklaringar, för den hade ett annat tema. Det fenomen som Marcus Björling noterade var Marcus Björling berättar vidare om kunskapluckan. – Vi upprepade experimenten från Ohio och fick samma resultat. De få vetenskapliga artiklar om det här som fanns i världen föreslog solid liquid slip som förklaringsmodell. Att det uppstår en glidning mellan 19 NÖTNING, FRIKTION OCH SMÖRJNING Tribologi handlar om nötning, friktion och smörjning. Överallt där två ytor möts och rörs uppstår tribologiska fenomen. I allt från mänskliga leder och vindkraftturbiner till förbränningsmotorer och vattenkraftverk. Det finns både miljövinster och ekonomiska vinster att göra på att minska friktion och nötning. Lägre friktion – lägre energi förluster. Mindre nötning – längre livslängd. Effektiv smörjning – mindre friktion, nötning och miljöbelastning. ytan och smörjmedlet. Men det stämmer bara om ytan är extremt slät. Vi såg ju fenomenet även på grövre ytor. Förklaringen stämde inte. Då började Marcus Björling och hans forskar kollegor undersöka DLC-skiktets materialegen skaper. Vad var det som påverkade friktionen? Att det här diamantliknande kol-ämnet var 100 gånger sämre än stål på att leda värme ledde dem fram till en teori: Det extremt höga trycket och friktionen genererar värme i smörjoljan mellan ytorna, och om ytbeläggningen då inte leder bort värmen så stannar den i stället kvar i oljeskiktet och ger lägre viskosi tet. Varm olja glider lättare än kall, och friktionen minskar. – Hela förloppet är över på millisekunder, just det ögonblick när ytorna har kontakt i en roterande rörelse. Vi lanserade den här teorin och gjorde en simuleringsmodell för att räkna ut temperaturhöj ningen i oljan under det korta ögonblicket. Vi såg tydliga tendenser, säger Marcus Björling. Teorin får uppmärksamhet och forskarna gräver vidare De fick en prestigefylld utmärkelse för artikeln där teorin presenterades. Det de skrev var nytt. Nu 20 började arbetet för att mer avancerat kunna förkla ra vad det är som händer. Bara så kan man påverka förloppet och framkalla fenomenet på ett önskat och kontrollerat sätt. – Vi kontaktade bland de främsta i världen inom sina områden, Scott Bair i USA och Wassim Habchi i Libanon, för att tillsammans komma vidare och skapa avancerade beräkningsmodeller, säger Marcus Björling. Upptäckten kommer allt närmare nytta på världsmarknad Resultaten blev strålande. Tillsammans kom de fram till ett helt nytt sätt att minska friktion i den här typen av kontakt. Det blev till och med en notis i Nature, den högst ansedda publikationen där det är nobelnivå på artiklarna. – Nu ska jag använda den här grundläggande kun skapen till att hitta nya och konkreta applikationer. Möjligheterna är enorma. Tänk hela världens for donsbestånd och vindkraftverk! Minskad friktion ger lägre bränsleförbrukning i fordon och högre energi produktion i vindkraftverk. Jag frågar mig också om vi kan åstadkomma samma effekt med andra material och metoder? Tack vare finansieringen från Norrbottens Forsk ningsråd kan Marcus Björling fortsätta sina under sökningar. Han ska samverka med kemister, fysi ker och tribologiforskare, både vid Luleå tekniska universitet och på andra håll i världen. Nästa stora tribologiska genombrott kan alltså mycket väl komma från Luleå. – Utan Unga Forskare skulle jag ha flyttat söderut, trots att jag trivs här i Luleå. Men nu kan jag arbeta vidare och se vart nyfikenheten leder oss. Jag jobbar vidare på mitt eget spår och jag undersöker synergi effekter med andra projekt där den här kunskapen kan leda till oväntade genombrott. Inte bara nyfiken het utan även att dela och samarbeta är kärnan i vetenskap, säger Marcus Björling. GULNARA ZHABELOVA Biträdande universitetslektor, Kommunikations- och beräkningssystem Luleå tekniska universitet Energivinster med smarta ”proncumenter” Ett flexibelt och tänkande nät för energi. Aktiva enheter som kommunicerar och samarbetar, tar emot det som behövs och skickar tillbaka överskottet, men även blir ”proncumenter”, producenter och konsumenter samtidigt. Det är en vision på god väg att bli världsunik verklighet i Luleå. TEXT: VIKTOR JOHANSSON 21 D atacenter är enorma förbrukare av energi. Be hovet är dessutom ojämnt och kan skifta från timme till timme. Det får följder som kostsam produktion, hårda belastningar på nät och energi som riskerar gå till spillo i svängningarna. De här proble men uppstår på elnät världen över, inte bara där det finns datacenter. Ett tänkande nät med smart data Ett sätt att förbättra och utveckla våra system är att skapa smart data som gör det möjligt för alla enheter på ett nät att kommunicera, samarbeta och ta snabba och kloka beslut beträffande produktion och förbruk ning av el. Det skulle ske automatiskt, utan mänsklig inblandning. Mjukvaran skapas med matematik för att sedan programmeras i datorer, eller ”intelligenta aktörer”, som kan finnas hos alla enheter på nätet, såväl produ center och distributörer som datacenter, industrier, offentliga byggnader och privata bostäder. Tekniken har potential att på sikt optimera energi förbrukningen i städer, regioner och länder, men Gul nara Zhabelovas pågående projekt är specifikt kopplat till hur datacenter automatiskt kan samarbeta med nät och producenter för att minimera konsumtion och kostnad. – Om du har ett flexibelt elnät kan överskottet hela tiden skickas tillbaka. Om hela systemet på ett för finat sätt kommunicerar och tar egna beslut kommer byggnaders efterfrågan att kunna förutses samt bättre stämma överens med behovet för stunden. På så sätt kan datacenter belasta elnätet så lite och så smart som möjligt, säger Gulnara Zhabelova. 22 Ett flexibelt nät med aktiva ”proncumenter” Men tanken är även att göra datacenter till en ”proncument”, en konsument som producerar egen förnybar energi med solpaneler och vindkraftverk. – I dag är många på nätet passiva konsumenter av el. Tanken är att få till ett flexibelt nätverk där bygg nader och industrier istället blir aktiva enheter som kan ta emot och skicka tillbaka, producera och konsu mera. På så sätt kan vi få till en dynamisk, optimerad energibalans där så lite som möjligt förbrukas eller går till spillo och så mycket som möjligt återanvänds, säger Gulnara Zhabelova. Datacenter kommer att kunna sälja energi till nätet om ett överskott produceras. På samma sätt kan den enorma mängden värme som serverhallarna genere rar tas om hand och säljas till fjärrvärmenätet. Data center ska dessutom kunna lagra sin egenproducerade energi och på så sätt slippa de dieseldrivna generato rer som i dag fungerar som reserv. Men även producenter kan kommunicera och sam arbeta sinsemellan. – Om vind- och solkraft för tillfället går på hög tryck kan signaler skickas till vattenkraften som då håller igen så att produktion och efterfrågan stämmer FRAMTIDENS SMARTA ENERGIFÖRBRUKNING Så länge Gulnara Zhabelova kan minnas har hon intresserat sig för fysiska mekaniker och hur de på olika sätt kan kontrolleras. Intresset för hur saker fungerar och styrs har tagit henne till världsledande forskning inom mekatronik, robotautomation och datorvetenskap, viktiga områden för framtidens smartare energiförbrukning. matematiska algoritmer, kommer att göra exakt som de ska när de kopplas samman med fysiska nät för el, säger Gulnara Zhabelova. I gränslandet överens så bra som möjligt. Allting bygger på en ständig dialog mellan samtliga aktörer på nätet, säger Gulnara Zhabelova. Kritisk infrastruktur Just nu håller en prototyp på att arbetas fram. Allting finns ännu bara i teorin, men om forskningsprojektet lyckas blir det flexibla, tänkande nätet det första i världen av sitt slag. – El är en kritisk infrastruktur. Inte minst för datacenter som absolut inte får ligga nere. Det är svårt att bevisa att datorerna, som programmeras med Gulnara Zhabelova befinner sig ofta i gränslandet mellan teori och praktik, mellan olika vetenskaper. – Olika forskningsområden för med sig olika tradi tioner och sätt att tänka. Jag står någonstans i mitten och försöker koppla samman allting. Men jag trivs i gränslandet mellan det teori och praktik. Det är där robotautomationen uppstår. Jag får jobba med den matematiska datavetenskapen som kontrollerar sys tem och maskiner, men jag får samtidigt se resultatet. Jag får se när mitt teoretiska arbete tas i bruk, funge rar i praktiken och gör skillnad. Det är min drivkraft, avslutar Gulnara Zhabelova. I framtiden kan vi alla bli ”proncumenter” av förnybar energi, samspelande på ett tänkande, flexibelt nät där vi ger och tar, efterfrågar precis det vi behöver och aldrig förbrukar mer än nöd vändigt. Smart och optimerat. Det är en vision på god väg att bli världsunik verklighet vid Luleå tekniska universitet. 23 DAMIANO VARAGNOLO Biträdande universitetslektor, Reglerteknik Luleå tekniska universitet 24 Matematik som språk och tanke Datorer är egentligen inte så smarta. De saknar intuition och helhetsbild. Men om datorerna kan kopplas ihop till ett samarbetande, kommunicerande nätverk skulle de kunna förstå sitt sammanhang, förutse, lära sig av varandra och samarbeta för att tillsammans fatta klokare beslut utan människors inblandning. Nyckeln är matematik. TEXT: VIKTOR JOHANSSON V åra liv består av val. Men hur vet vi att våra val är de bästa för stunden? Det brukar sägas att människor tar bättre beslut tillsammans. Samma princip kan gälla för datorer, säger Damiano Varagnolo. Datorer som samarbetar Damiano Varagnolo undersöker hur vi får maskiner och datorer att ta beslut och agera. Utan mänsklig inblandning. Det kallas automation och handlar i grunden om matematik som hjälper en samling ob jekt att fungera bättre som ett lag. – Datorer är egentligen inte så smarta. De saknar intuition. Man skulle kunna säga att de gissar sig fram till rätt beslut utifrån en rad alternativ och en begränsad helhetsbild. Vårt mål är att skriva matematiska algoritmer som får datorer att kommu nicera och utbyta information, men framförallt samarbeta för att bli smartare, säger Damiano Varagnolo. Han beskriver det själv som ett socialt nätverk. En demokratisering i ett samhälle av datorer som förstår sitt sammanhang, ingår i en helhet och gemensamt tar bättre beslut. Tekniken kan bland annat hjälpa till att optimera vår energiförbrukning genom att få olika byggnader att ”prata” med varandra. Det skulle kunna ske utan 25 att människor behöver kontrollera och ta beslut kring hur mycket energi som ska produceras, levereras och konsumeras. Nyckeln till att få datorer att tänka, kommunicera och samarbeta på en högre nivå finns i matematikens teoretiska värld. Med matematik som språk och tanke Matematik är datorvetenskapens språk. Det är med matematik som vi programmerar datorer till att kun na tänka och lösa uppgifter. – I dag är det relativt enkelt att få och kommunice ra ut information. Vi lever redan i ett nätverkssam hälle där allting på ett eller annat sätt är samman kopplat. Men med rätt matematik kan den enskilda datorn få en mycket bättre helhetsbild, förutse vad som kommer att hända och utifrån det ta gemensam ma beslut. Ett frustrerande mysterium Med glimten i ögat beskriver Damiano Varagnolo den matematiska vetenskapen som frustration. – Till vardags är man begravd i ekvationer och får jobba långsiktigt med att bevisa sina teorier. Men matematiken är samtidigt ett fängslande mysterium fyllt av överraskningar. Den är exakt men oberäk nelig. Du känner dig ofta blind och vet inte vad som kommer härnäst. Då plötsligt händer någonting. Svaren uppenbarar sig, ekvationerna faller på plats, algoritmerna tar form och du strävar vidare mot nya upptäckter i en teoretisk värld där allting på något vis hänger samman. Damiano Varagnolo betonar att datorer är ett verktyg. Själva idén, ekvationerna som ska räknas ut och teorierna som ska bevisas, kommer alltid från människan. Det är vi som får datorerna att tänka. Inte tvärtom. – Vi kommer att testa en prototyp inom de närmsta åren. Om vi lyckas blir det världsunikt. Det här är banbrytande teknik med enorm potential. Jag är en visionär, en drömmare och en optimist. På sikt kan alla energiproducenter, hus, byggnader, processindustrier och datacenter samarbeta. Tänk er en stad, en region, ett land eller en värld i samma tänkande, samarbetande system, avslutar Damiano Varagnolo. Banbrytande teknik med ny matematik Damiano Varagnolos forskningsprojekt är specifikt kopplat till datacenter i Luleå. Målet är att få datacenter, elnät och fjärrvärmesystem att kommunicera och samarbeta på en helt ny nivå. På kort sikt är vinsten en minimerad kostnad för datacenter, bättre kapacitet på befintliga system och minimerad och utjämnad efterfrågan och produk tion av el och värme. På lång sikt är möjligheterna ändlösa. SKATTNING OCH OPTIMERING Damiano Varagnolos forskning sker utifrån två fundamentala begrepp: skattning och optimering. Skattning handlar om hur en dator hanterar information för att lära sig så mycket som möjligt om sin omvärld. Optimering är konsten att fatta det bästa beslutet för stunden. När datorer kan skatta och optimera utan mänsklig inblandning kallas det för automation. 26 Juni 2015 Text och form: Plan Sju kommunikation AB Foto: Jennie Pettersson Tryck: Lule Grafiska, 200 ex 27 www.norrbottensforskningsrad.se
© Copyright 2024