Tænd for en chip

Alan Epstein er hurtig til at fortælle dig, at han er en jetmotorfyr - bare hvis du ikke har gættet så meget fra turbinemotordelene, der er spredt rundt på hans kontor eller museet i hans laboratoriestueetage, som inkluderer et sjældent eksempel på en tysk motor fra 1944, der var med til at sætte gang i jetalderen. For direktøren for MIT's Gasturbine Laboratory, som står en let bøjet fem fod seks fod, har fascinationen at gøre med rå kraft. Motorerne på en Boeing 747 skubber luft igennem ved Mach 1 med 120.000 punds kraft, siger Epstein. Motorerne på tre 747'ere afgiver lige så meget strøm som et atomkraftværk.

Gasturbiner drev en stor del af det 20. århundredes teknologi, fra kommercielle og militære fly til de store gasfyrede anlæg, der hjalp med at levere amerikansk elektricitet. Men i disse dage er det ikke de store maskiner i laboratoriemuseet, der fanger Epsteins entusiasme. I stedet er det en jetmotor krympet til omtrent på størrelse med en frakkeknap, der sidder på hjørnet af hans skrivebord. Det er en Lilliputian-version af multiton-jetmotorerne, der ændrede flyrejsen, og han mener, at den kunne være nøglen til at drive det 21. århundredes teknologi.

Denne historie var en del af vores november 2004-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Selvom vindmøllevingerne spænder over et område, der er mindre end en krone, drejer de med mere end en million omdrejninger i minuttet og er designet til at producere nok elektricitet til at drive håndholdt elektronik. I en overskuelig fremtid, forventer Epstein, vil hans bittesmå turbiner tjene som batterierstatning, først for soldater og derefter for forbrugere. Men han har en endnu mere ambitiøs vision: at små klynger af motorerne kunne tjene som hjemmeproduktionsanlæg, der befrier forbrugerne fra elnettet med dets lejlighedsvise black- og brownouts. Teknologien kan især være nyttig i fattige lande og fjerntliggende områder, der mangler omfattende og pålidelige net til distribution af elektricitet. En sammenligning med, hvordan den kontinuerlige svind af det integrerede kredsløb drev den mikroelektroniske revolution, er fristende. Ligesom pc'er skubbede computerinfrastrukturen ud til brugerne, kunne mikromotorer skubbe samfundets energiinfrastruktur ud til brugerne, siger Epstein.

Epsteins umiddelbare mål er imidlertid at bruge disse miniaturemotorer som et billigt og effektivt alternativ til batterier til mobiltelefoner, digitale kameraer, PDA'er, bærbare computere og andre bærbare elektroniske enheder. Motivationen er enkel: Batterier er tunge og dyre og kræver hyppig genopladning. Og de producerer ikke meget elektricitet, uanset deres størrelse og vægt.

Konsekvenserne af disse svigt rækker ud over forbrugernes besvær. Nutidens soldater er ofte tvunget til at slæbe rundt på batterier i murstensstørrelse for at drive deres højteknologiske udstyr. Og på grund af kortlivede strømforsyninger er designere af næste generations elektronik ofte tvunget til at udelade energikrævende forbedringer og funktioner som større, lysere skærme og mere kraftfulde processorer. Tag for eksempel den ultimative PDA fra Frog Design, et Sunnyvale, CA-baseret firma med speciale i industrielt design. Enheden kombinerer flere mobiltelefon- og Wi-Fi-radioprotokoller, GPS-placering, en projektionsskærm, en bærbars funktionalitet og muligheden for at gennemse videobiblioteker og afspille film i fuld længde. Men det eksisterer kun som et mock-up; det ville dræne ethvert rimeligt stort batteri på en halv time. Med funktioner som GPS-placering og radiokommunikation, spiser du bare på batterierne, siger Valerie Casey hos Frog Design.

En mikrogasturbinemotor ville ændre alt det. Den kunne køre i ti eller flere timer på en beholder med dieselolie, der er lidt større end et D-batteri; når brændstofpatronen løb tør, kunne en ny nemt skiftes i. Hver engangspatron ville pakke lige så meget energi som et par tunge håndfulde lithium-ion-batterier. Som et resultat kunne en lille pakke af de billige og lette patroner drive en PDA eller mobiltelefon gennem flere dages hårdt brug, ingen genopladning af stikkontakten krævede en yderst attraktiv funktion for soldater i fjerntliggende steder eller rejsende. Desuden fylder miniatureturbinen omkring en fjerdedel af volumen af ​​et typisk mobiltelefonbatteri.

Ikke at en mikromotor er uden ulemper. Det ville skyde en lille strøm af varm udstødningsgas, for det første, hvilket gør det mere velegnet til enheder, der er klippet til bælter eller båret i dokumentmapper end til dem, der er proppet i lommerne. Selve motoren ville blive varm, selvom en udstødningsdæmper nemt ville forhindre enheder i at blive meget varmere, end de gør i dag. Men for mange energikrævende applikationer, siger Epstein, ville en bemærkelsesværdig effekt af en lille turbine langt opveje eventuelle ulemper. Foreslår Epstein, du behøver ikke en særlig god jetmotor for at klare sig bedre end batterier.

Jordet
Epstein begyndte at tænke på at bygge en jetmotor på en chip for næsten et årti siden. På det tidspunkt tog mikroelektromekaniske systemer (MEMS) fart. Teknikker var dukket op til at skære nye typer træk ind i overfladerne af plader af silicium, herunder forseglede kamre og rør og bevægelige dele som drejende hjul mest af de dele, der er nødvendige for en gasturbinemotor. Mindre klart i starten var, hvad man ville gøre med en miniature brændstofbrændende motor. Vi troede, at vi kunne få omkostningerne langt ned, hvis vi kunne finde ud af en grund til at have brug for mange af dem, siger Epstein. Men det eneste, vi kunne se at gøre med små motorer, var at flyve med små flyvemaskiner, og det virkede dumt. Selvfølgelig havde vi ikke regnet med DoD.

Sikkert nok blev det amerikanske militær pludselig begejstret over ideen om 15 centimeter lange fly, der kunne bære små kameraer til overvågning. Ingeniørerne på Epsteins laboratorium var noget mindre entusiastiske; de havde mistanke om, at det ville tage et par årtier at få jetchips, der var luftdygtige. Så fik Epstein fat i et mere umiddelbart militært behov: at befri soldater fra de batterier, som mange af dem skal slæbe rundt på for at drive radioer, GPS-modtagere, nattesynsbriller og andre gadgets. Og i modsætning til en miniatureflymotor ville en batterierstattende jetchip have et enormt kommercielt potentiale.

Andre materiale videnskabsmænd og ingeniører var allerede begyndt at arbejde på måder at krympe strømproducerende maskiner for at supplere eller udskifte batterier, hvilket skabte et nyt felt kaldet power MEMS. Den mest populære tilgang involverede krympende brændselsceller, som typisk passerer brint gennem en membran, der trækker elektroner ud for at skabe en elektrisk strøm. Men Epstein var overbevist om, at gasturbiner var en bedre vej at gå på grund af deres uovertrufne evne til at vride strømmen ud af kulbrintebrændstoffer. Teknologien bliver endnu mere tiltalende, hvor minimering af vægt og volumen er kritisk, som med bærbare enheder. En jetchip ville højst være halvt så stor som en mikrobrændselscelle med samme energikapacitet. En gasturbine burde også være forholdsvis let at fremstille, mente Epstein, fordi den kunne bygges helt ud af silicium ved hjælp af standardfremstillingsteknikker.

Selvom Epstein forestillede sig, at hans mikroversion fungerede nogenlunde på samme måde som en konventionel gasturbine, var meget om mikrojetmotorer et mysterium. Ville silicium smuldre under 1.300 °C temperaturer? Kunne mikroskopiske lejer klare en million plus omdrejninger i minuttet? Med finansiering fra det amerikanske militær udnyttede Epstein ekspertisen hos nabolande MIT-laboratorier inden for væskemekanik, materialevidenskab, konstruktionsteknik og mikrofabrikation. Projektholdet voksede til sidst til snesevis af forskere, inklusive Mark Spearing, en materialeingeniør, der har til opgave at finde måder at holde siliciummikrostrukturerne intakte under rasende varme og tryk. De fleste MEMS-chips involverer ætsning af små strukturer op til 10 mikron høje, siger Spearing. Vi skulle til dele, der er hundredvis af mikrometer høje.

I hånden
Tidligere i år færdiggjorde Epstein og hans kolleger at lave motorer, hvor hver af de enkelte dele fungerer: Forbrændingskammeret brænder brændstof, og turbinebladene spinder. Den resulterende enhed er forseglet hele vejen rundt med huller på toppen og bunden til luftindtag, brændstofindtag og udstødning. En mangel: den kører ikke kontinuerligt. Forhindringen, siger Epstein, er ufuldkommenheder, der ubalancerer knivene og får dem til at vakle. Vi tror, ​​vi ved, hvad vi skal gøre for at rette op på det, siger han. Problemet er, at det tager tre måneder at få nye dele, når du laver en justering, så ventede bare på de nye dele. Epstein forudser, at chippen vil fungere inden for måneder, lidt før tidsplanen. Spearing anslår, at en version, der er i stand til at levere nok strøm til at køre enheder, vil tage to til tre år mere, med endnu et eller to år ud over det at producere en omsættelig version.

Det betyder, at man indrømmer et tidligt forspring i power MEMS kapløbet til brændselsceller, som allerede rammer markedet. Albany, NY-baserede MTI Micro Fuel Cells forbereder sig på at lancere en på størrelse med et sæt kort til brug i håndholdte industrielle enheder såsom radiofrekvens ID-tag læsere og har planer om at udrulle en lidt mindre version til mobiltelefoner, PDA'er, og digitale kameraer. Medis Technologies i New York City har til hensigt at sælge en engangsmikrobrændselscelle til $20 næste år.

Vores konkurrence er brændselsceller, absolut, siger Epstein. Men han insisterer på, at turbinespåner kan udgøre ethvert tabt terræn. Indtil nu er der investeret et par millioner dollars i mikroturbiner, sammenlignet med de milliarder, der er investeret i brændselsceller, påpeger han. Epsteins tro er drevet af de iboende fordele, han ser ved turbiner. Selv mikrobrændselsceller er større, og de er meget mere kræsne om brændstof end en turbinemotor. Men i sidste ende kommer det hele til magten. De fleste mikrobrændselsceller kæmper for at udsende en watt eller to, mens Epsteins prototyper kunne levere 15 til 20 watt, mere end nok til at holde en strømkrævende håndholdt enhed i gang. Bærbare computere kan kræve 50 watt, men et par turbiner, der arbejder sammen, kunne nemt pumpe så meget strøm ud. På samme måde forestiller Epstein sig, at en klynge af bittesmå motorer, der hver er i stand til at producere op til hundrede watt, kunne forsyne et hjem med en effektiv og pålidelig kilde til elektricitet.

Den omstilling vil helt sikkert tage tid. Men Epstein ser det som den naturlige forlængelse af de bemærkelsesværdige fremskridt, jetmotorer har gjort gennem anden halvdel af det 20. århundrede, fra de nye jagerfly, der dukkede op i Anden Verdenskrig til de gigantiske motorer, der driver nutidens jumbojetfly. Og selvom Epstein forudsiger, at fra et ingeniørmæssigt synspunkt vil hans små chip-baserede turbiner til at begynde med præstere mere som de banebrydende jetfly fra 1940'erne end som nutidens supereffektive gasturbiner, er han fuld tillid til teknologiens enorme potentiale til at udvikle sig. Faktisk er de aldrende motorer i hans laboratoriemuseum en altid tilstedeværende påmindelse om gasturbinernes fantastiske kraft.

skjule