Erkki Rantalainen 02.09.2026
Tein yli viisikymmentä vuotta sitten keksinnön, jonka avulla lämpöenergiaa voidaan muuttaa työksi ilman Carnot'n hyötysuhteen rajoitusta. Jätin keksinnöstä patenttihakemuksen ja laitoin siitä kirjeen kahdelle suuryritykselle tarjoten heille mahdollisuutta ryhtyä kehittämään asiaa. Toinen ei vastannut mitään, ja toinen ilmoitti, että esittämäni teoria ei toimi. Asia jäi silloin siihen.
Oltuani muutaman vuoden eläkkeellä palasin asiaan ja kehittelin laitetta eteenpäin. Jätin vuonna 2019 uuden patenttihakemuksen. Patenttivirasto hylkäsi sen. Virasto esitti useita hylkäysperusteita, joista tärkeimmäksi se nimesi termodynamiikan toisen pääsäännön vastaisuuden. Valitin päätöksestä markkinaoikeuteen. Markkinaoikeus totesi patenttiviraston päätöksen virheelliseksi, koska minulta ei oltu pyydetty vastinetta ennen päätöksen tekoa. Ilmoitin patenttivirastolle, että vastineen tekeminen tulee viemään aikaa. Ilman mitään ennakkoilmoitusta virasto laittoi kirjeen, jossa se ilmoitti hylänneensä patenttihakemuksen.
Jatkoin keksinnön kehittelyä edelleen ja jätin lokakuussa 2025 jälleen uuden hakemuksen. Sain maaliskuussa 2026 hylkäävän välipäätöksen, johon annoin vastineen heinäkuussa 2026.
Viimeisin hakemus ei ole vielä julkinen. Vuoden 2019 hakemus on julkinen. Seuraavassa on tietoja Internetnetsivulla maaliskuussa 2023 julkaisemastani keksinnön kuvauksesta:
Lämpöenergiaa voidaan muuttaa työksi korkealla hyötysuhteella
Lämpöenergia on aineen pieninten rakenneosien, molekyylien, sekoittunutta liikettä. Termodynamiikka on 1800-luvulta peräisin oleva fysiikan haara, joka tutkii energian muuttumista energialajista toiseen, erityisesti lämmön ja työn välistä yhteyttä. Lämpöä työksi muuttavaa laitetta kutsutaan lämpövoimakoneeksi.
Toistaiseksi ainoa tunnettu tapa muuttaa lämpöenergiaa mekaaniseksi työksi on tuoda lämpöä kaasuun ja antaa kaasun laajentua ja laajentuessaan liikuttaa mäntää tai siipeä. Laajentumisen jälkeen kaasu on saatettava alkutilavuuteensa. Tästä syntyy työkierto, missä kaasu vuoroin laajenee, vuoroin supistuu. Supistaminen edellyttää lämmön poistoa kaasusta, mikä alentaa hyötysuhdetta.
Mitattaessa ja laskettaessa erilaisissa prosesseissa siirtyvän lämmön ja työn määriä, otettiin käyttöön suure entropia. Entropian muutos määritellään siirretyn lämpömäärän ja lämpötilan suhteena. Kun tutkittiin lämmön tuonti- ja poistovaiheen aikana tapahtuvia entropian muutoksia, havaittiin, että poistovaiheessa tapahtuva entropian muutos on aina suurempi kuin tuontivaiheessa. Tästä seuraa, että laitteen ja sen ympäristön yhteinen entropia lisääntyy kaikissa tapauksissa. Muotoiltiin ja hyväksyttiin entropian lisääntymisen laki, joka on saanut nimekseen termodynamiikan toinen pääsääntö.
Entropia on määritelty ja entropian lisääntymislaki on perusteltu myös todennäköisyyslaskennan avulla.
Toisen pääsäännön perusmuoto kuuluu: "Eristetyssä systeemissä spontaanissa prosessissa entropia kasvaa tai pysyy ennallaan." Keskeistä tässä on se, että prosessi on spontaani ja alkeistapahtumia on paljon.
Kokemusten perusteella on tultu siihen tulokseen, että yksittäisten molekyylien liikettä ei voida ohjata. Kaikki ehdotukset molekyylien ohjaamistavoiksi on hylätty.
Termodynamiikan kirjallisuudessa on todettu, että entropia voi pienentyä hetkellisesti mikrotasolla, mutta pienenemiset neutraloituvat suurten tapahtumamäärien joukossa.
Eräs toisen pääsäännön muotoilu on "Vakiotilavuudessa oleva kaasu ei voi tehdä työtä." Tämä ei pidä paikkaansa kaikkialla. Jos harvassa kaasussa olevan levyn vastakkaisille pinnoille kohdistuu lämpötilaerojen johdosta eri suuret paineet, levy liikkuu. Crookesin radiometri on esimerkki tällaisesta laitteesta.
Eräs pääsäännön muotoilu on "Carnot'n kiertoprosessin hyötysuhde on korkein mahdollinen lämpövoimakoneen hyötysuhde."
Carnot'n kiertoprosessi koostuu kahdesta adiabaatista ja kahdesta isotermista. Sen hyötysuhteen laskenta perustuu termodynamiikan toiseen pääsääntöön, jonka mukaan entropia ei voi pienentyä kiertoprosessissa.
Entropialain mukaan lämpövoimakoneesta on poistettava lämpöä tietty minimimäärä, joka määräytyy tuotavan ja poistettavan lämmön lämpötiloista. Tämä pätee vain koneisiin, jotka toimivat tilavuuden muutoksen sisältävällä kiertoprosessilla. Lämmönpoistotarve syntyy työkaasun tilavuuden pienentämisen johdosta. Vakiotilavuudessa toimivaan prosessiin ei liity tilavuuden pienentämistarvetta, joten Carnot'n hyötysuhteen maksimaalisuus ei koske tällaista prosessia.
Viidenkymmenen viimeisen vuoden aikana on tullut mahdolliseksi tutkia molekyylien liikettä yksittäisten molekyylien tasolla.
Tutkimukset osoittavat, että kun sileä kuuma pinta siirtää energiaa kylmempään harvaan kaasuun, energia siirtyy pääosin pinnan normaalin suunnassa.
Kiinteästä aineesta poistuu lämpöä, mutta kaasuun ei tule lämpöä vaan molekyylien yhdensuuntaista tai lähes yhdensuuntaista liikettä. Entropia pienenee, kun lämpöenergia muuttuu molekyylijoukon liike-energiaksi. Molekyylijoukon liikemäärä ei muutu kaasumolekyylien keskinäisissä törmäyksissä vaan ainoastaan ulkoisten törmäysten johdosta.
Suunnatun liikkeen omaavia molekyylejä voidaan ohjata heijastavien pintojen avulla. Molekyylijoukon yhdensuuntainen liikemäärä on muutettavissa mekaaniseksi energiaksi vakiotilavuudessa ilman lämmön poistoa.
Tekemässäni keksinnössä kuuma pinta tuottaa kaasuun yhdensuuntaisen molekyylivirran, jonka liike-energia muutetaan työksi roottorin siivistössä. Näin lämpö muuttuu työksi vakiotilavuuden omaavassa kaasussa.
Laitteen kuvaus
Laitteessa on toroidimainen kammio. Kammiossa on rengasmainen roottori, jonka siivet ovat tasasivuisen kolmion sivuilla. Siivet ovat noin 45 asteen kulmassa roottorin kehän suuntaan nähden.
Roottorin kehän kohtisuora leikkaus on periaatetasolla Kuvassa 1. Kuvaan on piirretty kammion sisä- ja ulkoseinämät ja molekyylin radan projektio.
Kammiossa on yksiatomista harvaa kaasua. Kaasumolekyylit saatetaan kiertämään roottorin kehää ruuviviivan muotoista murtoviivaa pitkin. Havainnemalli radasta on kuvassa 2.
Kuva 2
Vanne kuvaa roottoria, jonka ympäri molekyylit kiertävät. Radan muotoa on havainnollistettu vanteen ympärille kierretyllä muoviletkulla. Kaikki kaasumolekyylit kulkevat samanlaista rataa toisistaan riippumatta.
Rata on kuvasta poiketen murtoviiva, jonka yksi kierros roottorin ympäri koostuu kolmesta osasta, yksi kullakin kolmion sivulla. Radan nousukulma on noin 45 astetta, jolloin molekyyli kohtaa siiven 90 asteen kulmassa. Molekyylit kulkevat radalla jatkuvasti samaan suuntaan.
Kammion ulkoseinämän sisäpinnalla roottorin kolmion kärkien kohdalla on kuumia liuskamaisia pintoja, joihin molekyyli törmää. Törmäyksessä molekyylin nopeus kasvaa, ja sen rata kääntyy kuuman pinnan normaaliin päin ja samalla kohtisuorasti roottorin siipeä kohti.
Liuskan asento on liuskan pituussuunnassa epäsymmetrinen kolmion sivuihin nähden kuvan 1 mukaisesti. Poikittaissuunnassa liuska on kohtisuorassa liuskan kautta kulkevan radan osan määräämää tasoa vastaan. Vierekkäiset kuumat liuskat muodostavat roottorin kehän suuntaisen porrasmaisen rakenteen.
Kuuman pinnan jälkeen molekyyli kulkee roottorin siipeä kohti ja törmää siiven takapintaan. Takapintaa kutsutaan työsiiveksi. Molekyyli työntää siipeä eteenpäin menettäen samalla osan nopeudestaan. Takaa tuleva seuraava siipi saa molekyylin kiinni ja antaa sille impulssin eteenpäin. Siiven etupintaa kutsutaan ohjaussiiveksi. Molekyyli jatkaa kulkuaan seuraavalle kuumalle pinnalle. Jotta siipiin kohdistuisi eteenpäin työntävä nettovoima, tulee työsiipeen kohdistuvien impulssien olla suurempia kuin ohjaussiipeen kohdistuvat impulssit.
Muotoilun, kuumien pintojen lämpötilan ja roottorin nopeuden yhteensovituksella molekyylit saadaan tekemään päättymätöntä roottorin kehää kiertävää liikettä ja siirtämään energiaa kuumilta liuskoilta roottorille.
Molekyylin radalla ei ole vastassa olevia seinämiä, jotka heijastaisivat liikemäärää takaisin. Radan suuntaan toimiva ohjaus kääntää vastavirtaan joutuneet molekyylit takaisin oikeaan suuntaan.
Prosessi ei sisällä kaasun tilavuuden muutoksia.
Kuuma pinta lisää siihen vinossa kulmassa tulevien kaasumolekyylien nopeutta pinnan normaalin suunnassa. Nopeuden lisäys riippuu pintamolekyylin värähtelyvaiheesta. Heijastuneiden molekyylien nopeusvektorit poikkeavat toisistaan. Pinnan normaalin ja lähtevän molekyylin liikeradan välinen kulma on sitä pienempi, mitä suurempi on normaalin suuntaisen nopeuden itseisarvo.
Molekyylin nopeus koostuu ihanneradan suuntaisesta komponentista ja sitä vastaan kohtisuorasta poikittaiskomponentista. Radan suuntainen komponentti osallistuu työprosessiin. Poikittaiskomponentti kulkee mukana "loisena". Molekyylin nopeuden poikittaiskomponentin sisältämä energia on nopeusvektorin ja molekyylin ihanneradan välisen kulman sinin neliön suuruinen osuus molekyylin liike-energiasta. Kahdenkymmenen asteen poikkeamalla osuus on 12%.
Pintojen epätasaisuudet, molekyylien nopeus- ja suuntahajonnat sekä molekyylien keskinäiset törmäykset lisäävät poikittaisliikettä. Poikittaisliikkeen lisäys kompensoituu kuumien pintojen, roottorin siipien ja kammion seinämien ohjausvaikutuksen tuloksena.
Poikittaisenergian määrä ei kumuloidu työkaasuun eikä kaasun lämpötila kasva. Pieni poikittaisenergian määrä ei häiritse työprosessia.
Hukkalämpöä syntyy, kun lämpöä siirretään lämmön lähteestä kuumalle pinnalle sekä laitteessa esiintyvän kitkan johdosta. Laitteen hyötysuhteella ei ole mitään teoreettista ylärajaa.
Molekyylien liikeradat ovat oleellisesti samansuuntaisia kammion seinämien kanssa. Seinämät ohjaavat molekyylejä pysymään halutuilla radoilla.
Laitteen ihannerakenne olisi sellainen, missä kuumien liuskojen pinta-ala olisi hyvin pieni. Tällöin molekyylit saapuisivat roottorin siivelle samasta suunnasta. Käytännössä kuumien pintojen kokoa on kasvatettava. Tällöin molekyylien liikesuunnat poikkeavat hieman toisistaan.
Kammion seinämät ovat kuumia pintoja lukuun ottamatta lämpöeristetyt. Kussakin kammion kohdassa kammion seinämä on termisessä tasapainossa ohi kulkevien kaasumolekyylien kanssa.
Kun molekyyli osuu vinosti kammion seinämään, sen nopeusvektorin suunta on loivasti seinämän pintaan päin. Törmäyksen jälkeen nopeuden poikittaiskomponentti on kääntynyt kammioon päin. Lähtösuunta riippuu kohtaamiskulmasta ja kimmokertoimesta. Osassa kammiota kammion ulkoseinä loittonee radan kulkusuunnasta radan suuntaan kuljettaessa. Tällöin seinämästä heijastuneen molekyylin nopeusvektorin suunta lähenee molekyylin ihannerataa.
Laitteen toiminnasta on tehty tietokonesimulaattori Excel-taulukkolaskentaohjelmaa käyttäen.
Simulaattorissa ei ole käsitelty molekyylien liikeratojen hajontaa muualla kuin kuumasta pinnasta lähdettäessä. Simulaattorilla tehtyjen kokeiden mukaan prosessi on konvergoituva. Simulaattorin mukaan laite reagoi kuormituksen muutoksiin niin, että roottorin pyörimisnopeuden hidastuessa vääntömomentti kasvaa. Laite on käyttökelpoinen voimanlähteenä.
Simulointimallin ominaisuuksia ovat:
Molekyylin törmäykset roottorin siipiin ja kammion seinämiin noudattavat mekaniikan heijastuslakeja. Molekyylien keskinäisiä törmäyksiä ei huomioida, koska kaasu on harvaa ja molekyylit liikkuvat pääosin samansuuntaisesti. Molekyylin vapaata matkaa laskettaessa on huomioitava molekyylijoukon liikenopeus. Simulaattorissa on laskettu 18 eri molekyylin rataa, jotka edustavat kuumalta liuskalta eri kohdista ja eri kulmissa lähteviä molekyylejä. Laskelmassa ei ole mukana poikittaisliikkeen energian pohjaosaa.
Työ- ja ohjaussiivet ovat kiinni toisissaan. Niiden välinen lämmönsiirtokerroin on mahdollisimman pieni, eli ne on lämpöeristetty toisistaan. Siipien lämpötilat asettuvat siipien kanssa vuorovaikutuksessa olevien molekyylien suhteellisia nopeuksia vastaavien lämpötilojen mukaisiksi.
Esimerkkilaitteen työkaasuna on argon ja kuuman pinnan materiaalina platina. Platina-argon rajapinnassa tapahtuvasta energian siirtymisestä on tehty kokeellinen tutkimus, jonka tulokset on otettu Internetistä. Pinnalta lähtevien argon molekyylien suhteelliset määrät ja pinnan normaalin ja tangentin suuntaiset nopeudet lähtökulman funktiona ovat kuvassa 3.
Kuvassa 3 esitetyssä kokeessa kuuman pinnan lämpötila on 1173 K. Molekyylit saapuvat pinnalle 55 asteen kulmassa 575 m/s nopeudella.
Simulaattori on laskettu aineistolla, missä kuuman pinnan lämpötilan on ajateltu olevan pienempi kuin viitteen kokeessa käytetty lämpötila. Pinnasta heijastuvien molekyylien normaalin suuntaiset nopeuskomponentit on kerrottu kertoimella 0.9. Saadut uudet lähtevien molekyylien tiedot ja niistä piirretyt kuvaajat ovat kuvassa 4.
Kuumat liuskat, työsiipi ja kammion lämpöeristetyt pinnat ovat platinaa. Kammion pintojen asennot, molekyylien ratojen kulkusuunnat ja roottorin kehänopeus on määritetty simulaattorin avulla iteroimalla.
Roottorin kehänopeus on 560 m/s
Suorituskyvyn laskemiseksi laiteyksikkö on mitoitettu seuraavasti:
Toroidin halkaisija on 1,0 m. Roottorin kehän sivun pituus on 70 mm. Kammion seinämän ja roottorin pinnan väli on keskimäärin 20 mm. Kaasun paineeksi on valittu 1,0 Pa
Simulaattorin antamat tulokset:
teho 150W
vääntömomentti 0,16 Nm
kierrosluku 12600 r/min
Laiteyksiköitä voidaan sijoittaa rinnakkain samalle akselille, jolloin teho ja vääntömomentti tulevat kerrotuksi yksiköiden lukumäärällä.
Internetsivulla julkaisemani keksinnön kuvaus loppuu tähän. Sen jälkeen jättämässsäni patenttihakemuksessa muutamia kohtia on muutettu, mutta pääperiaatteet ovat pysyneet samoina.
Olen vuosien varrella yrittänyt esitellä keksimääni menetelmää ja laitetta alan asiantuntijoille saadakseni jonkun kiinnostumaan asiasta ja tutkimaan sitä.
Alan tiedeihmisten kanssa käymäni viestinvaihdot ja puhelinkeskustelut ovat osoittaneet, että heille termodynamiikan toinen pääsääntö on ehdoton. He ovat käyneet esittämääni lämpömoottorin kuvausta läpi etsien kohtia, jotka osoittaisivat sen mahdottomaksi. Kun he ovat löytäneet mielestään sopivan kohdan, he ilmoittavat, että tämän johdosta laite ei toimi. Heidän vastaväitteensä eivät kuitenkaan kestä krittiistä tarkastelua.
Esimerkkejä:
Väite: Mikään lämpövoimakone ei voi toimia Carnot'n hyötysuhdetta suuremmalla hyötysuhteella.
Virheajatus: Termodynamiikan toinen pääsääntö on universaali, eikä sitä voi ohittaa.
Todellisuus: Entropian lisääntymislaki koskee vain puhtaan sattuman varassa toimivia systeemejä. Kun kaasuatomien liikettä ei ohjata, kaasu voi tehdä työtä vain paisumalla. Kun kaasumolekyylien liike yhdensuuntaistetaan, ne voivat tuottaa työtä tuulimyllyn tapaan.
Väite: Kun takaa tuleva siipi osuu energiaansa luovuttaneeseen hidastuneeseen molekyyliin, siihen kohdistuu yhtä suuri voima, kuin mikä on siipeä työntävällä puolella.
Virheajatus: Siiven vastakkaisilla puolilla tapahtuu yhtä suuri mutta vastakkaissuuntainen ilmiö.
Todellisuus: Törmäyksiin liittyviä parametreja voidaan säädellä, ja saada roottorin pyörimistä vastustava momentti pienemmäksi.
Väite: Molekyylien keskinäisten törmäilyjen seurauksena siiven vastakkaiselle puolelle syntyy vastapaine, joka estää siiven liikkeen.
Virheajatus: Molekyylien liikevektoreiden suuntien jakauma pyrkii muuttumaan aina pallosymmetriseksi ja nopeuksien itseisarvojen jakauma Bolzmanin jakautuman mukaiseksi.
Todellisuus: Liikkuvassa molekyylijoukossa molekyylin nopeus ulkoisen koordinaatiston suhteen on molekyylijoukon painopisteen nopeuden ja molekyylin painopisteen suhteen suhteellisen nopeuden summa. Keskimääräinen vapaa matka määräytyy vain keskinäisten nopeuksien perusteella. Molekyylijoukon liikemäärä muuttuu vain heijastuksissa kammion seinämien ja roottorin siipien kanssa.
Väite: Kaasun lämpötila nousee kuuman pinnan lämpötilan suuruiseksi, jolloin lämpöä ei enää siirry pinnasta kaasuun, ja sen molekyylien suuntaa yhtenäistävä vaikutus häviää.
Virheajatus: Energian siirron määrää kaasun makroskooppinen lämpötila.
Todellisuus: Kaasumolekyylin ja pintamolekyylin vuorovaikutus tapahtuu pinnan normaalin suunnassa. Vinosti pintaan tulevan kaasumolekyylin normaalin suuntainen komponentti on pienempi kuin molekyylin nopeuden itseisarvo. Arvostelijat eivät myöskään huomioi riittävästi sitä, että kaasumolekyyli luovuttaa energiaa siivistölle.
Väite: Molekyylit kiertävät rataa samalla todennäköisyydellä molempiin suuntiin, jolloin siipeen kohdistuu molemmista suunnista yhtä suuri molekyyli- ja liikemäärävirta.
Virheajatus: Kammion seinät ja roottorin siivet ohjaavat molekyyliä kulkemaan samaa rataa pitkin molempiin suuntiin.
Todellisuus: Kun molekyyli törmää pintaan, jonka lämpötila on eri suuri kuin molekyylin nopeutta vastaava lämpötila tai pinta loittonee tai lähenee kaasusta poispäin, heijastus ei ole peilimäinen. Vastakkaisiin suuntiin kulkevien molekyylien kulkuradat poikkeavat toisistaan. Lisäksi siivistön rakenne on sellainen, että se toimii tasasuuntaajana molekyylivirralle.
Esitin Googlen tekoälylle kysymyksiä lämpömoottorin toimintaan liittyvistä asioista. En tiedä sisältääkö kyseisen tekoälyohjelma suunnitteluominaisuutta. Ainakin se käyttää hyväkseen asiasta kirjoitettuja dokumentteja, jotka sisältävät asiantuntijoiden oppikirjoja ja tieteellisiä tutkimuksia. Kerroin sovellukselle lämpömoottorin toiminnan periaatteen ja kysyin, pitääkö kaasua jäähdyttää. Ohjelma vastasi, että pitää. Kysyin sen jälkeen, mihin jäähdytystä tarvitaan.
Vastaus:
Entropia ja molekyylien suuntaaminen
Heijastus on epäsymmetrinen: Kuvauksessasi kuuma sileä pinta muuttaa molekyylien satunnaisen liikesuunnan järjestäytyneeksi liikkeeksi (normaalisuuntainen nopeus suurempi kuin tangentiaalinen).
Entropian väheneminen: Liikesuuntien "suoristaminen" ja järjestäminen vähentää kaasun paikallista entropiaa (mikroskooppista epäjärjestystä).
Termodynamiikan toinen pääsääntö: Suljetussa syklisessä prosessissa kokonaisentropia ei voi vähentyä. Jotta kaasun tila (ja suuntajakauma) voidaan palauttaa täydellisesti lähtöpisteeseen ilman, että epäjärjestys kasvaa kierros kierrokselta, järjestelmästä on poistettava entropiaa.
Miten entropia poistetaan? Ainoa tapa poistaa entropiaa kaasusta on siirtää siitä lämpöä pois matalammassa lämpötilassa – eli jäähdyttää sitä.
Vastauksesta saa sen kuvan, että tekoälynkin vastaus perustuu siihen, että kokonaisentropian on kasvettava, ja sen toteuttamiseksi lämpöä on poistettava. Mitään muuta syytä lämmön poistotarpeelle ei esitetä.
Toivon, että edellä esittämäni kirjoitus rohkaisisi tutkijoita, insinöörejä ja keksijöitä tarkastelemaan lämpöenergian hyödyntämistä uudessa valossa. Pidän todennäköisenä, että kun idea leviää, sitä aletaan tutkia, ja se muuttaa käsitystä fysiikasta ja sen tuomista mahdollisuuksista.