Så fick stirlingmotorn nytt liv i svenska ubåtar

2022-06-24 06:19  

TEKNIKHISTORIA. Den skotske prästen Robert Stirling ville ersätta den farliga ångmaskinen, men hans ”luftmotor” blev ingen framgång under hans livstid. Först långt senare fick stirlingmotorn en renässans som drivkälla i svenska ubåtar.

De tidiga ångmaskinerna var ofta livsfarliga konstruktioner, byggda av undermålig metall som bokstavligt talat inte pallade trycket. Exploderande ångpannor dödade, lemlästade och brännskadade otaliga maskinoperatörer och andra som hade oturen att komma i vägen.

Detta bekymrade Robert Stirling, som på 1810-talet läste till präst vid universitetet i Edinburgh. Och unge Robert var inte bara uppfylld av den kristna kallelsen, utan även av ett brinnande teknikintresse som möjligen var nedärvt: hans farfar Michael Stirling hade under 1700-talet uppfunnit ett av de första fungerande tröskverken.

Robert Stirling (1790–1878). Foto: Wikimedia

Tog patentet som 25-åring

I september 1816 tillträdde en 25-årig Robert Stirling som präst i den lilla staden Kilmarnock, och samma år tog han patent på sin ”Stirling Air Engine”. Principen var gas och kolvar i en stängd cylinder som växelvis hettas upp av en värmekälla utanför cylindern. Detta skapar växlande tryckskillnader i cylindern, vilket får kolven att pressas upp och ner. Och eftersom Stirlings motor arbetade med lägre tryck än ångmaskinen, kunde den inte explodera.

Det ska sägas, att det redan tidigare konstruerats olika ”varmluftsmaskiner”. Redan 1699 hade den franske vetenskapsmannen Guillaume Amontons uppfunnit en ”eldkvarn” (moulin à feu), som drev ett roterande hjul i stället för en kolv. Och bara några år före Stirlings patent hade den engelske adelsmannen sir George Cayley utvecklat en maskin, som också drev en kolv genom luftens expansion vid upphettning.

Teckning av George Cayleys maskin där en kolv drevs av luftens expansion vid upphettning. Foto: MARY EVANS PICTURE/TT

Men Stirlings motor använde sig av ett slutet system, till skillnad från Cayleys där luften hettades upp genom direktkontakt med elden och byttes ut i varje arbetscykel. Och såvitt känt blev Stirlings teknik den första att användas i praktisk drift. En av hans första motorer, med uppskattningsvis två hästkrafter, användes under flera år för att pumpa grundvatten ur ett stenbrott utanför Kilmarnock.

Läs mer: Grafik: Så fungerade Newcomens ångmaskin

En effektiviserad variant från 1818 lagrade värme i den upphettade delen av cylindern medan luften passerade till den kalla sidan, och överförde värme till den kylda luften när den återvände till den varma delen. Och 1827 höjdes effektiviteten ytterligare, när Robert Stirling och hans bror James installerade en pump som ökade trycket i cylindern.

Senare installerades en sorts kylplattor i luftens passage mellan den varma och den kalla änden av cylindern, vilket ökade effekten så pass att en stirlingmotor kunde tas i bruk på ett gjuteri i Dundee.

En svensk utmanare

Även i Sverige bedrevs utvecklingsarbete enligt samma motorprincip. John Ericsson är kanske mest känd som uppfinnare av den första funktionsdugliga propellern, men redan som ung fänrik vid Jämtlands fältjägarkår konstruerade han en vedeldad varmluftsmaskin – eller caloric-maskin, som den också kom att kallas.

Ericsson begärde ett års permission från armén och reste till industrialismens England, där han trodde sig enkelt kunna hitta användningsområden för sin uppfinning. Men caloric-maskinen visade sig fungera sämre med stenkol, som var det vanliga bränslet i Storbritannien, än med björkved som Ericsson använt i Sverige.

Det misslyckade företaget ledde till att han överskred sin beviljade permissionstid, vilket kunde fått allvarliga konsekvenser om inte kronprins Oscar (senare Oscar I) personligen lagt ett ord för honom. Tack vare prinsens ingripande kunde Ericsson stanna i England, och fortsätta sitt innovatörsarbete inom ångpannor och andra teknikspår.

Läs mer: Maskinernas mästare byggde hel industri

Jämfört med ångmaskinerna hade ”luftmotorerna” högre verkningsgrad, och var betydligt säkrare. Men trots Robert Stirlings flitiga förbättringsarbete förblev maskinerna svåra att reglera, och dyra att tillverka. De arbetade dessutom mellan mindre tryckdifferenser än ångmaskinerna gjorde. Därför blev effekttätheten (effektutvecklingen per volym) lägre, vilket gjorde maskinen orimligt stor i förhållande till den mängd effekt den levererade.

Och på 1850-talet lanserades bessemerprocessen, den första billiga metoden för storskalig tillverkning av högkvalitativt stål. I och med detta kunde man bygga betydligt stabilare ångmaskiner, och de pannexplosioner Robert Stirling velat eliminera blev betydligt ovanligare.

I viss utsträckning användes stirlingmotorer till att driva pumpar och industriella kylfläktar fram till åren runt sekelskiftet 1900. Då slog billiga elmotorer igenom på bred front, och Stirlings uppfinning blev i praktiken överflödig.

När bessemerprocessen lanserades på 1850-talet gav det den första billiga metoden för storskalig tillverkning av stål. Det högkvalitativa stålet gjorde det möjligt att bygga stabilare ångmaskiner, som inte längre riskerade att explodera. På bilden Sandvikens första bessemerverk, anlagt 1863. Foto: ANDERS OLSSON/TEKNISKA MUSEET

Återupplivades under 1900-talet

Ett par gånger återaktualiserades den halvt bortglömda motorn. Först under 1930-talet, då Philips i Nederländerna försökte driva generatorer med stirlingteknik. Tanken var att de tystgående maskinerna skulle passa bra för att driva radioutrustning åt armén. Men med andra världskrigets jättesatsningar på militärteknik kom bättre metoder för ändamålet, och stirlingmotorerna föll åter i glömska.

På 60-talet dök tekniken upp igen, denna gång i Sverige där gruvdriftens mekanisering plötsligt gjorde stirlingmotorn intressant. Man tänkte sig att den avgasfria tekniken skulle passa bra i underjordsgruvor, och staten sköt till en miljard kronor genom stiftelsen Malmfonden för forsknings- och utvecklingsarbete. Men återigen visade sig andra tekniker fungera bättre.

Med Kockums som delägare bildades 1968 bolaget United Stirling, som tog över patenten från Malmfonden. En idé var att maskinerna, med sina höga värmeförluster, skulle ge el och värme i husbilar – men husbilsmarknaden störtdök när 1970-talets oljekris fick bensinpriserna att rusa i höjden.

Läs mer: Full kraft när kärnreaktorerna regerade – och delade Sverige

När bensinmotorerna blev dyrare i drift såg bolaget en ny affärsidé: driva personbilar med stirlingmotorer. Men återigen föll tekniken på att den var svårare att reglera och dyrare att tillverka än det konventionella alternativet. Robert Stirlings uppfinning verkade slutligen få avfärdas som en historisk parentes.

Men 1987 upphörde Kockums civila fartygsproduktion, och varvsbolaget inriktade sig helt på militär tillverkning. Och plötsligt började man undersöka de patent som dotterbolaget United Stirling satt på: Kunde tekniken användas som drivkälla i ubåtar?

Stirlingmotorer kan i praktiken drivas med vilken värmekälla som helst, och till skillnad från dieselmotorer ger de knappt ifrån sig några ljud eller vibrationer. Utmärkta egenskaper för den som inte vill upptäckas av fiendens sonarsystem.

Stirlingdriften gjorde att Näcken kunde stanna under ytan upp till fyra veckor i sträck. Foto: ANDERS TALLHED/MARINMUSEUM

Fick nytt liv under vattnet

United Stirling upptogs som egen avdelning inom Kockums, helt inriktad på utveckling av ubåtsmotorer. Snart hade man tagit fram ett system som döptes till Air Independent Propulsion (AIP), som skulle komma att utgöra en tredje ubåtsklass vid sidan av atomubåtar och dieselelektriska ubåtar.

AIP-systemet använder helium, vars små gasmolekyler gör den lätt att värma upp och kyla ned. Värmekällan utgörs av syre och diesel, som brinner med en het, stabil låga, i ett egenutvecklat förbränningssystem som kan hantera frånvaron av luftens kväve. När den upphettade heliumgasen tryckt upp kolven, går den vidare till en värmeväxlare där den kyls med havsvatten.

Läs mer: HMS Hajen – Sveriges första ubåt

Den första ubåt som utrustades med AIP-systemet blev HMS Näcken, som förlängdes med åtta meter och försågs med två stirlingmotorer vid sin halvtidsmodifiering 1988. Och hon visade sig inte bara gå tystare än konventionella ubåtar: tack vare förbränningssystemet kunde hon stanna under ytan upp till fyra veckor åt gången.

Stirlingmotorn kan drivas med i princip vilken värmekälla som helst och ger knappt ett ljud ifrån sig vid drift. Egenskaper som är klara fördelar i ubåtsdrift jämfört med till exempel de högljudda dieselmotorerna. HMS Gotland fick stirlingdrift från start. Foto: MARIT HOMMEDAL/TT

Sådan uthållighet i undervattensläge hade tidigare varit reserverat för atomdrivna ubåtar. Dieselelektriska ubåtar måste med ganska korta mellanrum upp till ytan för att sticka upp en luftmast, och sedan dra igång mullrande dieselmotorer. Vilket förstås innebär risk för att upptäckas av fienden.

HMS Gotland sjösattes 1995, och var den första ubåt som utrustades med AIP-drift från start. Hon fick ge namn åt den svenska Gotlandsklassen av ubåtar, i dag bestående av tre stirlingutrustade fartyg: HMS Gotland, HMS Halland och HMS Uppland. Svenska AIP-motorer har också exporterats till Japans ubåtsflotta, vilket anses vara ett mycket högt teknikbetyg.

Din bonus som Ny Teknik-läsare: En del av svensk teknikhistoria

Du som är prenumerant på Ny Teknik digitalt får som bonus ett urval av artiklarna från Teknikhistoria, ett magasin om den tekniska och industriella utvecklingen som lett fram till samhället som det ser ut i dag – med fokus på den svenska utvecklingen.

Vill du få en bit av historien direkt hem i brevlådan? Teckna din prenumeration redan i dag på: nyt.se/prenumeration-teknikhistoria

Gilla Teknikhistoria på Facebook för att få senaste nytt ur historien!

Gilla Teknikhistoria på Instagram!

Tommy Harnesk

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt