Toimii vain lämpötilaeron voimalla! Miksi tämä 200 vuotta vanha keksintö hämmästyttää edelleen (Stirling-moottori)

Tässä tiedevalmentaja Ken Kuwako. Jokainen päivä on uusi koe.

On vaikea uskoa, että yksi pieni spriilamppu voi tuottaa näin paljon voimaa

”Mekaaninen laite alkaa pyöriä itsestään pelkästään lämmön vaikutuksesta.”

Kuulostaako se hieman taikuudelta? Todellisuudessa kyseessä on lähes 200 vuotta vanha tekninen keksintö. Tällä kertaa tutustumme leluun nimeltä Sunnytech Hot Air Stirling Engine.

Laite näyttää upealta jo paikallaan, mutta kun kokeilin sitä käytännössä, se alkoi pyöriä paljon voimakkaammin kuin osasin odottaa. Olin aidosti hämmästynyt. Tässä artikkelissa sukellamme pienen moottorin sisälle ja tutkimme lämpöenergian ja liikkeen välistä kiehtovaa yhteyttä.

Mikä ihmeen Stirling-moottori?

Stirling-moottori toimii lämmittämällä ja jäähdyttämällä ilmaa, joka on suljettuna lasiputkeen tai sylinteriin. Kun ilma vuorotellen laajenee ja supistuu, se liikuttaa mäntää ja siirtäjää (displacer), jotka muuttavat tämän liikkeen pyöriväksi liikkeeksi.

Moottorin kehitti vuonna 1816 skotlantilainen pappi ja keksijä Robert Stirling.

Toisin kuin bensiinimoottori, joka tuottaa voimaa polttamalla polttoainetta sylinterin sisällä, Stirling-moottori on ulkopolttoinen moottori. Se saa energiansa ulkopuolelta tuotetusta lämmöstä. Koska sen sisällä ei tapahdu räjähdyksiä, rakenne on yksinkertainen ja toiminta erittäin hiljaista.

Mitä tapahtuu, kun moottori käynnistetään?

Ensin sytytetään spriilamppu ja lämmitetään lasiputken toinen pää.

Kun putki on lämmennyt hetken, vauhtipyörälle annetaan pieni alkusysäys käsin.

Ja sitten tapahtuu jotain lähes elolliselta vaikuttavaa. Moottori alkaa pyöriä yhä nopeammin ja nopeammin aivan kuin omasta tahdostaan. Pyörimisliike välittyy myös generaattoriin, ja lopulta LED-lamppu syttyy kirkkaasti.

Voit nähdä moottorin toiminnassa tästä videosta.

Lämpötilaero on todellinen energian lähde

Katsotaanpa toimintaperiaatetta hieman tarkemmin.

Lasiputken sisällä on suljettua ilmaa. Kun toinen pää lämmitetään spriilampulla, siellä oleva ilma lämpenee ja laajenee. Laajeneva ilma työntää mäntää. Putken toinen pää taas jäähtyy ympäröivän ilman vaikutuksesta, jolloin siellä oleva ilma supistuu.

Tämä jatkuva laajenemisen ja supistumisen vuorottelu saa männän liikkumaan edestakaisin. Kampimekanismi muuttaa tämän liikkeen vauhtipyörän pyörimiseksi.

Toisin sanoen lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi.

Tärkein asia ymmärtää on, ettei moottoria liikuta itse polttoaine, vaan kuuman ja kylmän alueen välinen lämpötilaero.

Teoriassa Stirling-moottori voi toimia millä tahansa lämpötilaerolla. Siksi tutkijat ovat kehittäneet järjestelmiä, jotka hyödyntävät esimerkiksi auringon lämpöä, teollisuuden hukkalämpöä tai jopa ihmiskehon ja ympäristön välistä lämpötilaeroa.

Tämä versio toimii kuuman veden avulla.

Energia ei katoa – se vain muuttaa muotoaan

Kun sanomme, että lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi, voisi helposti kuvitella kaiken lämmön muuttuvan liikkeeksi. Todellisuudessa suuri osa energiasta karkaa ympäristöön lämpönä jo muunnosprosessin aikana.

Tämä liittyy energianmuunnoksen hyötysuhteeseen.

Taustalla vaikuttavat kaksi fysiikan tärkeää lakia. Ensimmäinen on energian säilymisen laki: energiaa ei synny eikä häviä, vaan se muuttuu muodosta toiseen. Toinen on termodynamiikan toinen pääsääntö: lämpö siirtyy luonnostaan kuumemmasta kylmempään, ja osa käyttökelpoisesta energiasta menetetään väistämättä tämän prosessin aikana.

Stirling-moottori ei ole poikkeus. Suuri osa lämmöstä, jolla moottoria lämmitetään, päätyy lopulta ympäröivään ilmaan.

Silti on hämmästyttävää, että jäljelle jäävä energia riittää pyörittämään moottoria suurella nopeudella, käyttämään generaattoria ja sytyttämään LED-valon.

Voimme toki sanoa, että häviöitä syntyy paljon. Mutta yhtä hyvin voimme ihmetellä sitä, kuinka tehokkaasti pieni osa energiasta pystyy tekemään näin paljon työtä. Juuri tässä piilee energianmuunnosten todellinen kiehtovuus.

Stirling-moottorit eivät ole vain leluja

Vaikka tämä pieni moottori näyttää lelulta, samaa periaatetta on tutkittu vakavissa teknisissä sovelluksissa jo pitkään.

Esimerkiksi sukellusveneiden voimanlähteenä Stirling-moottorit ovat herättäneet kiinnostusta, koska niiden toiminta on erittäin hiljaista. Hiljaisuus on suuri etu tilanteissa, joissa ääntä halutaan välttää.

Toinen kiinnostava sovellus on aurinkolämpövoima. Suuret peilit keskittävät auringonvalon yhteen pisteeseen ja tuottavat erittäin korkean lämpötilan. Tätä lämpöä käytetään Stirling-moottorin pyörittämiseen ja sähkön tuottamiseen.

On kiehtovaa ajatella, että sama periaate yhdistää pöydällä pyörivän lelun ja tulevaisuuden energiateknologiat. Kun katsoo tätä pientä moottoria, ei näekään enää pelkkää lelua, vaan ikkunan siihen, miten energiaa voidaan hyödyntää tulevaisuudessa entistä viisaammin.

Sunnytech Hot Air Stirling Engine

Yhteydenotot ja yhteistyö

Tuodaan tieteen ihmeet lähemmäs arkea! Sivustolta löydät helposti toteutettavia tiedekokeita ja selkeitä vinkkejä niiden tekemiseen. Tutustu rohkeasti myös muihin artikkeleihin.

・Tiedeaiheisista artikkeleistani on julkaistu myös kirja. Lisätietoja täältä
・Lisätietoja sivuston ylläpitäjästä Ken Kuwakosta löydät täältä
・Kirjoitus-, luento-, tiedetyöpaja-, TV-asiantuntija- ja muut yhteistyöpyynnöt täältä
・Uusimmat artikkelit ja päivitykset löydät myös X:stä!

Science Ideas Channel julkaisee säännöllisesti uusia kokeiluvideoita!

６月のイチオシ実験！

レモンやオレンジで風船を割ろう！インパクトが抜群のリモネン風船の実験

テレビ番組監修・イベント等のお知らせ

• ６月３日（水）20:30〜　「バカリズムのちょっとバカりハカってみた！」（テレビ東京）を科学監修・出演します。テーマは「そばの出前は何人前まで運べるのか、限界を測ってみた」です。　
• ６月４日(木)　7:00〜　「THE突破ファイル」（日本テレビ）について科学監修しました。
• 6月14日（日）　千葉大学インスタレーション「探究」にて講師を務めます
• 6月26日（金）　公開研究会「脱作業化！デジタル化と段階的指導で実現する オームの法則の探究」
• ６月28日（日）　ダビンチマスターズ＠昭和女子
• 7月18日（土）　教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。

書籍のお知らせ

• 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
  
  
• 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）…　高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
  

各種SNS（更新情報をお届け！）

X(Twitter)／instagram／Facebook（日本語）

BlueSky／Threads（英語）

Explore

• 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
• 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
• Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
• 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
• 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
• About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
• お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。