Moc na chipie

Alan Epstein szybko powie ci, że jest facetem od silników odrzutowych – na wypadek, gdybyś nie odgadł tego z części silnika turbinowego rozsianych po jego biurze lub muzeum na parterze jego laboratorium, które zawiera rzadki przykład niemieckiego silnika z 1944 roku, który pomógł rozpocząć erę odrzutowców. Dla dyrektora Laboratorium Turbin Gazowych MITs, który stoi lekko przygarbiony, metr sześćdziesiąt pięć, fascynacja ma związek z czystą mocą. Silniki Boeinga 747 przepychają powietrze z prędkością Mach 1 z siłą 120 000 funtów, mówi Epstein. Silniki trzech Boeingów 747 wytwarzają tyle samo mocy, co elektrownia jądrowa.

Turbiny gazowe napędzały większość technologii XX wieku, od samolotów komercyjnych i wojskowych po duże elektrownie gazowe, które pomogły dostarczać energię elektryczną w USA. Ale w dzisiejszych czasach to nie potężne maszyny w muzeum laboratoryjnym uchwyciły entuzjazm Epsteina. Zamiast tego jest to silnik odrzutowy, który skurczył się do rozmiarów guzika płaszcza, który stoi na rogu biurka. Jest to liliputowska wersja wielotonowych silników odrzutowych, które zmieniły podróże lotnicze, i uważa, że ​​może być kluczem do napędzania technologii XXI wieku.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2004 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Chociaż łopatki turbin zajmują obszar mniejszy niż dziesięciocentówka, obracają się z prędkością ponad miliona obrotów na minutę i są zaprojektowane tak, aby wytwarzać wystarczającą ilość energii elektrycznej do zasilania podręcznej elektroniki. Epstein spodziewa się, że w dającej się przewidzieć przyszłości jego maleńkie turbiny posłużą jako zamiennik baterii, najpierw dla żołnierzy, a potem dla konsumentów. Ma jednak jeszcze bardziej ambitną wizję: małe skupiska silników mogą służyć jako domowe elektrownie, uwalniając konsumentów od sieci energetycznej, z jej okazjonalnymi przerwami w dostawie prądu. Technologia może być szczególnie przydatna w biednych krajach i odległych obszarach, w których brakuje rozległych i niezawodnych sieci do dystrybucji energii elektrycznej. Porównanie z tym, jak ciągłe kurczenie się układu scalonego napędzało rewolucję mikroelektroniczną jest kuszące. Tak jak komputery PC wypychały infrastrukturę obliczeniową do użytkowników, mikrosilniki mogą wypychać infrastrukturę energetyczną społeczeństwa do użytkowników, mówi Epstein.

Jednak bezpośrednim celem Epsteina jest wykorzystanie tych miniaturowych silników jako taniej i wydajnej alternatywy dla baterii do telefonów komórkowych, aparatów cyfrowych, palmtopów, laptopów i innych przenośnych urządzeń elektronicznych. Motywacja jest prosta: akumulatory są ciężkie i drogie oraz wymagają częstego ładowania. I nie produkują dużo energii elektrycznej, pomimo swoich rozmiarów i wagi.

Konsekwencje tych niedociągnięć wykraczają poza niedogodności dla konsumentów. Dzisiejsi żołnierze są często zmuszeni do dźwigania baterii wielkości cegieł, aby zasilać swój zaawansowany technologicznie sprzęt. Projektanci elektroniki nowej generacji, sparaliżowani krótkotrwałymi zasilaczami, są często zmuszeni do pomijania energochłonnych ulepszeń i funkcji, takich jak większe, jaśniejsze ekrany i mocniejsze procesory. Weźmy na przykład najlepszy palmtop od Frog Design, firmy z Sunnyvale w Kalifornii, specjalizującej się we wzornictwie przemysłowym. Urządzenie łączy w sobie wiele protokołów radiowych telefonu komórkowego i Wi-Fi, lokalizację GPS, ekran projekcyjny, funkcjonalność laptopa oraz możliwość przeglądania bibliotek wideo i odtwarzania filmów pełnometrażowych. Ale istnieje tylko jako makieta; rozładowałoby każdą rozsądną baterię w pół godziny. Dzięki funkcjom takim jak lokalizacja GPS i łączność radiowa po prostu wyczerpujesz się z baterii, mówi Valerie Casey z Frog Design.

Silnik z mikroturbiną gazową miałby to wszystko zmienić. Może działać przez dziesięć lub więcej godzin na zbiorniku oleju napędowego nieco większym niż akumulator D; kiedy wyczerpie się kartridż z paliwem, nowy można było łatwo wymienić. Każdy jednorazowy kartridż zmieściłby tyle energii, co kilka ciężkich akumulatorów litowo-jonowych. W rezultacie mała paczka tanich i lekkich wkładów może zasilać PDA lub telefon komórkowy przez kilka dni intensywnego użytkowania, a żadne ładowanie w gniazdku nie wymagało bardzo atrakcyjnej funkcji dla żołnierzy w odległych lokalizacjach lub podróżnych. Co więcej, miniaturowa turbina zajmuje około jednej czwartej objętości typowej baterii telefonu komórkowego.

Nie żeby mikrosilnik był bez wad. Po pierwsze, wystrzeliwałby maleńki strumień gorących spalin, przez co bardziej nadawał się do urządzeń przypinanych do pasów lub noszonych w teczkach niż do tych wpychanych do kieszeni. Sam silnik by się nagrzewał, chociaż tłumik wydechu z łatwością uchroniłby urządzenia przed nagrzewaniem się znacznie bardziej niż obecnie. Jednak w przypadku wielu energochłonnych zastosowań, mówi Epstein, niezwykła moc małych turbin znacznie przewyższałaby wszelkie wady. Sugeruje Epstein: Nie potrzebujesz bardzo dobrego silnika odrzutowego, żeby działać lepiej niż baterie.

Uziemiony
Epstein zaczął myśleć o zbudowaniu silnika odrzutowego na chipie prawie dekadę temu. W tym czasie systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) nabierały tempa. Pojawiły się techniki rzeźbienia nowych rodzajów elementów w powierzchniach krzemowych płyt, w tym uszczelnionych komór i rur oraz ruchomych części, takich jak obracające się koła, większość części potrzebnych do silnika z turbiną gazową. Na początku mniej jasne było, co można zrobić z miniaturowym silnikiem na paliwo. Pomyśleliśmy, że będziemy w stanie obniżyć koszty, jeśli będziemy mogli znaleźć powód, dla którego potrzebujemy ich dużo, mówi Epstein. Ale jedyne, co mogliśmy zobaczyć, robiąc z malutkimi silnikami, to latanie maleńkimi samolotami, a to wydawało się głupie. Oczywiście nie liczyliśmy na Departament Obrony.

Rzeczywiście, wojsko amerykańskie nagle zapragnęło pomysłu 15-centymetrowych samolotów, które mogłyby nosić małe kamery do nadzoru. Inżynierowie z laboratorium Epsteina byli nieco mniej entuzjastyczni; podejrzewali, że uzyskanie zdatnych do lotu chipów odrzutowych zajmie kilkadziesiąt lat. Następnie Epstein uczepił się bardziej pilnej potrzeby wojskowej: uwolnienia żołnierzy od baterii, które wielu z nich musi nosić, aby zasilać radia, odbiorniki GPS, gogle noktowizyjne i inne gadżety. W przeciwieństwie do miniaturowego silnika lotniczego, chip odrzutowy zastępujący akumulator miałby ogromny potencjał komercyjny.

Inni naukowcy i inżynierowie zajmujący się materiałami już zaczęli pracować nad sposobami zmniejszenia maszyn produkujących energię w celu uzupełnienia lub wymiany baterii, tworząc nową dziedzinę o nazwie MEMS energii. Najbardziej popularne podejście obejmowało kurczenie się ogniw paliwowych, które zazwyczaj przepuszczają wodór przez membranę, która wyciąga elektrony, aby wytworzyć prąd elektryczny. Jednak Epstein był przekonany, że turbiny gazowe są lepszym rozwiązaniem ze względu na ich niezrównaną zdolność do wyciskania energii z paliw węglowodorowych. Technologia staje się jeszcze bardziej atrakcyjna tam, gdzie minimalizacja wagi i objętości ma kluczowe znaczenie, tak jak w przypadku urządzeń przenośnych. Chip odrzutowy byłby co najwyżej o połowę mniejszy od mikroogniwa paliwowego o takiej samej pojemności energetycznej. Turbina gazowa powinna być również stosunkowo łatwa do wyprodukowania, pomyślał Epstein, ponieważ można ją zbudować w całości z krzemu przy użyciu standardowych technik produkcyjnych.

Chociaż Epstein wyobrażał sobie, że jego wersja mikro działa mniej więcej w taki sam sposób, jak konwencjonalna turbina gazowa, wiele z silników mikroodrzutowych było tajemnicą. Czy krzem kruszy się w temperaturze 1300°C? Czy mikroskopijne łożyska mogą wytrzymać ponad milion obrotów na minutę? Dzięki finansowaniu z wojska USA Epstein wykorzystał wiedzę ekspercką sąsiednich laboratoriów MIT w zakresie mechaniki płynów, materiałoznawstwa, inżynierii strukturalnej i mikrofabrykacji. Zespół projektowy w końcu powiększył się do dziesiątek naukowców, w tym Marka Spearinga, inżyniera ds. materiałów, którego zadaniem było znalezienie sposobów na zachowanie nienaruszonych mikrostruktur krzemu pod wpływem szalejącego ciepła i ciśnienia. Większość chipów MEMS obejmuje wytrawianie małych struktur o wysokości do 10 mikronów, mówi Spearing. Chodziliśmy do części, które mają setki mikronów wysokości.

W ręce
Na początku tego roku Epstein i jego współpracownicy zakończyli produkcję silników, w których funkcjonuje każda z poszczególnych części: komora spalania spala paliwo, a łopatki turbiny wirują. Powstałe urządzenie jest uszczelnione dookoła, z otworami na górze i na dole do wlotu powietrza, wlotu paliwa i wylotu. Jedna wada: nie działa w sposób ciągły. Przeszkodą, mówi Epstein, są niedoskonałości, które powodują zachwianie równowagi ostrzy i powodują ich chybotanie. Myślimy, że wiemy, co zrobić, aby to naprawić, mówi. Problem polega na tym, że po dokonaniu regulacji uzyskanie nowych części zajmuje trzy miesiące, więc po prostu czekaliśmy na nowe części. Epstein przewiduje, że chip będzie działał w ciągu kilku miesięcy, nieco przed terminem. Spearing szacuje, że wersja zdolna do wytworzenia wystarczającej mocy do uruchomienia urządzeń zajęłaby dwa do trzech lat dłużej, a jeszcze rok lub dwa więcej, aby wyprodukować wersję rynkową.

Oznacza to utratę wczesnej przewagi w wyścigu mocy MEMS na ogniwa paliwowe, które już trafiają na rynek. Firma MTI Micro Fuel Cells z siedzibą w Albany w stanie Nowy Jork przygotowuje się do wprowadzenia jednego rozmiaru talii kart do użytku w przenośnych urządzeniach przemysłowych, takich jak czytniki identyfikatorów wykorzystujących częstotliwość radiową, i planuje wprowadzić nieco mniejszą wersję dla telefonów komórkowych, urządzeń PDA, i aparaty cyfrowe. Firma Medis Technologies z Nowego Jorku zamierza w przyszłym roku sprzedać jednorazowe mikroogniwo paliwowe za 20 dolarów.

Nasza konkurencja to bezwzględnie ogniwa paliwowe, mówi Epstein. Twierdzi jednak, że chipy turbin mogą nadrobić stratę. Do tej pory w mikroturbiny zainwestowano kilka milionów dolarów, podczas gdy w ogniwa paliwowe zainwestowano miliardy. Wiara Epsteina jest napędzana przez nieodłączne zalety, które widzi w turbinach. Nawet mikroogniwa paliwowe są większe i znacznie bardziej wybredne w kwestii paliwa niż silnik turbinowy. Ale w końcu wszystko sprowadza się do władzy. Większość mikroogniw paliwowych ma problemy z wyładowaniem jednego lub dwóch watów, podczas gdy prototypy Epsteina mogą zapewnić od 15 do 20 watów, co jest więcej niż wystarczające, aby utrzymać energochłonne urządzenie ręczne. Laptopy mogą wymagać 50 watów, ale kilka pracujących razem turbin może z łatwością wypompować tyle mocy. Podobnie Epstein przewiduje, że klaster maleńkich silników, z których każdy może wytwarzać do stu watów, może dostarczyć do domu wydajne i niezawodne źródło energii elektrycznej.

Ta zmiana z pewnością zajmie trochę czasu. Ale Epstein postrzega to jako naturalne przedłużenie niezwykłego postępu, jaki dokonał się w silnikach odrzutowych w drugiej połowie XX wieku, od nowatorskich samolotów myśliwskich, które pojawiły się podczas II wojny światowej, po gigantyczne silniki, które napędzają dzisiejsze jumbo jety. I chociaż Epstein przewiduje, że z inżynierskiego punktu widzenia jego małe turbiny oparte na chipach początkowo będą działać bardziej jak pionierskie odrzutowce z lat 40. niż dzisiejsze superwydajne turbiny gazowe, jest w pełni przekonany o ogromnym potencjale rozwoju technologii. Rzeczywiście, starzejące się silniki w jego muzeum laboratoryjnym są zawsze obecnym przypomnieniem niesamowitej mocy turbin gazowych.

ukryć