Tuulivoima on huimassa nousussa Yhdysvalloissa; maan uusiutuvien energialähteiden kapasiteetti on yli kolminkertaistunut viimeisten yhdeksän vuoden aikana, ja tuuli- ja aurinkovoima ovat suurelta osin vastuussa. Nyt yritykset haluavat hyödyntää entistä enemmän tuulienergiaa halvemmalla – ja yksi parhaista tavoista alentaa kustannuksia on rakentaa suurempia turbiineja. Siksi Virginian yliopiston tutkijoiden johtama kuuden laitoksen yhteenliittymä suunnittelee maailman suurinta tuulivoimalaa, joka on 500 metriä korkea – lähes kolmannes kilometrin korkuinen ja noin 57 metriä korkeampi kuin Empire State Building.

Turbiinit ovat jo nyt huomattavasti suurempia kuin 15 tai 20 vuotta sitten. Koko vaihtelee, mutta nykyään tyypilliset tuulipuiston tornit ovat noin 70 metriä korkeita, ja lavat ovat noin 50 metriä pitkiä. Niiden teho riippuu koosta ja korkeudesta, mutta se vaihtelee yleensä yhdestä viiteen megawattiin – yläpäässä se riittää noin 1 100 kodin sähkönsyöttöön. ”On olemassa motivaatio siirtyä suurempiin tuulivoimaloihin, ja syynä on pitkälti taloudellisuus”, selittää John Hall, kone- ja avaruustekniikan apulaisprofessori Buffalon yliopistossa (University at Buffalo, S.U.N.Y.). Eräs syy siihen, miksi jättimäiset voimalat ovat kustannustehokkaampia, on se, että tuuli puhaltaa voimakkaammin ja vakaammin suuremmilla korkeuksilla. Näin ollen korkeammalla rakenteella saadaan enemmän energiaa talteen, sanoo Eric Loth, joka johtaa massiivista turbiinihanketta, jota rahoittaa Yhdysvaltain energiaministeriön Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).

Toinen syy, miksi tuuliasiantuntijat sanovat, että isompi on parempi: pidemmät turbiinien lavat tarttuvat myös tehokkaammin tuuleen, ja korkeammat tornit mahdollistavat pidemmät lavat. Turbiinin teho on suoraan yhteydessä sen ”pyyhkäisypinta-alaan” eli pyöreään pinta-alaan, jonka lapojen pyöriminen kattaa – selittää Christopher Niezrecki, konetekniikan professori ja Massachusetts Lowellin yliopiston tuulienergiakeskuksen johtaja. Tämä suhde ei ole lineaarinen – jos lapojen pituus kaksinkertaistuu, järjestelmä voi tuottaa neljä kertaa enemmän energiaa, Niezrecki selittää. Hän huomauttaa, että suuremmilla turbiineilla on myös alhaisempi ”cut-in”-nopeus, eli tuulen nopeus, jolla ne alkavat tuottaa energiaa.

Lothin työryhmä haluaa suunnitella 50 megawatin järjestelmän, jonka lavat ovat 200 metriä pitkät, eli paljon suuremmat kuin nykyiset tuuliturbiinit. Jos tutkijat onnistuvat, he uskovat, että turbiini olisi 10 kertaa tehokkaampi kuin nykyiset laitteet. Tutkijat eivät kuitenkaan aio vain supersuurentaa perinteisiä malleja, vaan he muuttavat turbiinin rakennetta perusteellisesti. Ultrasuuressa koneessa on kaksi lapa tavanomaisen kolmen sijasta, mikä pienentää rakenteen painoa ja alentaa kustannuksia. Loth sanoo, että lapojen määrän vähentäminen tekisi turbiinista tavallisesti tehottomamman, mutta hänen ryhmänsä käyttää kehittynyttä aerodynaamista suunnittelua, joka hänen mukaansa korvaa suurelta osin nämä menetykset.

Lothin mukaan tiimi visioi myös, että nämä jättimäiset rakenteet seisovat vähintään 80 kilometrin päässä merellä, jossa tuulet ovat yleensä voimakkaampia ja jossa ihmiset maalla eivät näe tai kuule niitä. Voimakkaat myrskyt iskevät kuitenkin tällaisiin paikkoihin esimerkiksi Yhdysvaltain itärannikolla Atlantin valtamerellä, joten Lothin tiimi joutui pulmalliseen tilanteeseen luodakseen jotakin massiivista, joka olisi myös suhteellisen kevyt ja silti vastustuskykyinen hurrikaaneille. Ongelman ratkaisemiseksi tutkijat turvautuivat yhteen luonnon omaan suunnitteluratkaisuun: palmupuihin. ”Palmut ovat todella korkeita, mutta rakenteeltaan hyvin kevyitä, ja jos tuuli puhaltaa kovaa, runko voi taipua”, Loth sanoo. ”Yritämme käyttää samaa konseptia – suunnitella tuuliturbiinimme niin, että ne ovat joustavia, taipuvat ja mukautuvat virtaukseen.”

Työryhmän suunnittelemassa mallissa kaksi lapa sijaitsee turbiinin tornin alapuolella, eikä ylätuulessa, kuten perinteisissä turbiineissa. Lavat myös muuttavat muotoaan tuulen suunnan mukaan, palmun tapaan. ”Kun lavat taipuvat takaisin myötätuuleen, niitä ei tarvitse rakentaa yhtä painaviksi tai vahvoiksi, joten materiaalia voidaan käyttää vähemmän”, Loth selittää. Tämä rakenne vähentää myös mahdollisuutta, että kova tuuli taivuttaa pyörivän lavan tornia kohti, jolloin koko rakennelma voi kaatua. ”Lavat sopeutuvat suuriin nopeuksiin ja alkavat taittua sisäänpäin, joten niihin kohdistuu vähemmän dynaamisia voimia, Loth sanoo. ”Haluaisimme, että turbiinimme kestäisivät korkeammat kuin 253 kilometrin tuntinopeudella puhaltavat tuulet”, kun ne eivät ole toiminnassa. Yli 80-95 kilometrin tuntinopeuden järjestelmä sammuisi ja lavat taittuisivat poispäin tuulesta, jotta ne kestäisivät voimakkaat puuskat, Loth lisää.

500-metriseen turbiiniin liittyy vielä haasteita – siihen on hyvät syyt, ettei kukaan ole vielä rakentanut lähellekään tämän kokoista turbiinia: ”Miten teet 200-metriset lavat? Miten ne kootaan yhteen? Miten niin korkea torni pystytetään? Nosturit menevät vain niin korkealle. Lisäksi merituulivoima aiheuttaa lisäkomplikaatioita”, Niezrecki sanoo. Ryhmän suunnitelma sisältää segmentoidun lavan, joka voitaisiin koota palasista paikan päällä, mutta Niezrecki huomauttaa, että tuulivoimateollisuus ei ole vielä keksinyt, miten lavat voidaan segmentoida. ”Tutkimuskysymyksiä on vielä paljon”, hän sanoo. ”Se on ehdottomasti suuri riski, mutta siinä on myös potentiaalia suuriin palkintoihin. En usko, että nämä ongelmat ovat ylitsepääsemättömiä.” Hall kyseenalaistaa myös sen, onko näin massiivinen turbiini optimaalisen kokoinen. ”Ymmärrämme, että isompi on parempi. Kysymys kuuluu, kuinka paljon suurempi? Meidän on löydettävä se sopiva piste”, hän sanoo. ”Tulemme oppimaan paljon tästä hankkeesta.”

Loth ja hänen tiiminsä eivät ole vielä testanneet prototyyppiä; he suunnittelevat parhaillaan turbiinin rakennetta ja ohjausjärjestelmää, ja tänä kesänä he rakentavat mallia, joka on paljon pienempi kuin oikea laite – halkaisijaltaan noin kaksi metriä. Ensi kesänä he aikovat rakentaa isomman version, jossa on kaksi 20 metriä pitkää lapa, joka tuottaa vajaan megawatin tehon ja jota testataan Coloradossa. Loth itse ei ole sataprosenttisen varma siitä, että hänen ryhmänsä mammuttiturbiinista tulee totta, mutta hän on varma, että sitä kannattaa yrittää. ”Tämä on hyvin uusi konsepti, joten siitä ei todellakaan ole takeita, että se toimii”, hän sanoo. ”Mutta jos se toimii, se mullistaa merituulivoiman.”