Ieslēdziet mikroshēmu

Alans Epšteins steidz jums pateikt, ka viņš ir reaktīvo dzinēju puisis — ja vien neesat tik daudz uzminējis no turbīnas dzinēja detaļām, kas izmētātas ap viņa biroju vai muzeju viņa laboratorijas pirmajā stāvā, kurā iekļauts rets 1944. gada vācu dzinēja piemērs. palīdzēja uzsākt reaktīvo vecumu. MITs Gāzes turbīnu laboratorijas direktoram, kurš ir nedaudz saliekts sešas pēdas, aizraušanās ir saistīta ar neapstrādātu jaudu. Boeing 747 dzinēji ar 120 000 mārciņu spēku izspiež gaisu ar 1 mahu, saka Epšteins. Trīs 747 dzinēji nodrošina tikpat daudz jaudas kā atomelektrostacija.

Gāzes turbīnas darbināja lielāko daļu 20. gadsimta tehnoloģiju, sākot no komerciālām un militārām lidmašīnām līdz lielām ar gāzi darbināmām stacijām, kas palīdzēja piegādāt ASV elektroenerģiju. Taču mūsdienās Epšteina entuziasmu pārņem ne jau lielie aparāti laboratoriju muzejā. Tā vietā reaktīvais dzinējs saruka līdz apmēram mēteļa pogas izmēram, kas atrodas uz viņa rakstāmgalda stūra. Tā ir vairāku tonnu reaktīvo dzinēju liliputas versija, kas mainīja gaisa satiksmi, un, pēc viņa domām, tā varētu būt atslēga 21. gadsimta tehnoloģiju darbināšanai.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2004. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Lai gan turbīnu lāpstiņas aptver laukumu, kas ir mazāks par vienu santīmu, tie griežas ar vairāk nekā miljonu apgriezienu minūtē un ir paredzēti, lai ražotu pietiekami daudz elektroenerģijas, lai darbinātu rokas elektroniku. Pārskatāmā nākotnē, kā prognozē Epšteins, viņa mazās turbīnas kalpos kā akumulatora nomaiņa, vispirms karavīriem un pēc tam patērētājiem. Taču viņam ir vēl vērienīgāka vīzija: nelielas dzinēju kopas varētu kalpot kā mājas ģenerācijas stacijas, kas atbrīvo patērētājus no elektrotīkla, ar laiku pa laikam aptumšojoties un apturot. Šī tehnoloģija varētu būt īpaši noderīga nabadzīgās valstīs un attālos reģionos, kur trūkst plašu un uzticamu elektroenerģijas sadales tīklu. Salīdzinājums ar to, kā nepārtrauktā integrālās shēmas saraušanās izraisīja mikroelektronikas revolūciju, ir vilinošs. Tāpat kā personālie datori izspieda skaitļošanas infrastruktūru lietotājiem, mikrodzinēji var izspiest sabiedrības enerģētikas infrastruktūru lietotājiem, saka Epšteins.

Tomēr Epšteina tuvākais mērķis ir izmantot šos miniatūrus dzinējus kā lētu un efektīvu alternatīvu mobilo tālruņu, digitālo kameru, plaukstdatoru, klēpjdatoru un citu pārnēsājamu elektronisko ierīču akumulatoriem. Motivācija ir vienkārša: akumulatori ir smagi un dārgi, un tiem nepieciešama bieža uzlāde. Un tie neražo daudz elektrības, neskatoties uz to lielumu un svaru.

Šo nepilnību sekas pārsniedz patērētāju neērtības. Mūsdienu karavīri bieži ir spiesti vilkt apkārt ķieģeļa izmēra akumulatoriem, lai darbinātu savu augsto tehnoloģiju aprīkojumu. Īslaicīgu barošanas avotu nomocīti, nākamās paaudzes elektronikas dizaineri bieži ir spiesti atteikties no enerģijas izsalkušiem uzlabojumiem un funkcijām, piemēram, lielākiem, spilgtākiem ekrāniem un jaudīgākiem procesoriem. Ņemiet, piemēram, izcilo PDA no Frog Design, Sunnyvale, CA, kas specializējas rūpnieciskajā dizainā. Ierīce apvieno vairākus mobilo tālruņu un Wi-Fi radio protokolus, GPS atrašanās vietu, projekcijas ekrānu, klēpjdatora funkcionalitāti un iespēju pārlūkot video bibliotēkas un atskaņot pilna garuma filmas. Bet tas pastāv tikai kā makets; tas iztukšotu jebkuru saprātīga izmēra akumulatoru pusstundas laikā. Izmantojot tādas funkcijas kā GPS atrašanās vieta un radio sakari, jūs vienkārši ēdat no akumulatoriem, saka Valērija Keisija no Frog Design.

Mikro gāzes turbīnas dzinējs to visu mainītu. Tas varētu darboties desmit vai vairāk stundas ar dīzeļdegvielas konteineru, kas ir nedaudz lielāks par D akumulatoru; kad beidzās degvielas kasetne, varēja viegli nomainīt jaunu. Katra vienreizējās lietošanas kasetne saturētu tikpat daudz enerģijas kā dažas smagas saujas litija jonu akumulatoru. Rezultātā neliels lētu un vieglu kasetņu iepakojums var nodrošināt plaukstdatora vai mobilā tālruņa barošanu vairākas dienas intensīvas lietošanas laikā, un nav nepieciešama uzlāde no sienas kontaktligzdas, kas ir ļoti pievilcīga funkcija karavīriem attālās vietās vai ceļotājiem. Turklāt miniatūra turbīna aizņem apmēram ceturtdaļu no parastā mobilā tālruņa akumulatora tilpuma.

Nav tā, ka mikro dzinējam nav nekādu trūkumu. Pirmkārt, tas izšautu niecīgu karstu izplūdes gāzu strūklu, padarot to piemērotāku ierīcēm, kas ir piesprādzētas pie jostas vai nēsātas portfeļos, nevis kabatās. Pats dzinējs kļūtu karsts, lai gan izplūdes gāzu slāpētājs viegli neļautu ierīcēm kļūt daudz siltākam nekā mūsdienās. Taču Epšteins saka, ka daudzām energopatērīgām lietojumprogrammām nelielas turbīnas ievērojama jauda atsvērtu visus trūkumus. Iesaka Epšteinu, jums nav nepieciešams ļoti labs reaktīvā dzinējs, lai tas darbotos labāk nekā akumulatori.

Iezemēts
Epšteins sāka domāt par reaktīva dzinēja izveidi uz mikroshēmas gandrīz pirms desmit gadiem. Tajā laikā mikroelektromehāniskās sistēmas (MEMS) palielināja ātrumu. Bija parādījušās metodes, kā silīcija plākšņu virsmās iegravēt jaunus elementus, tostarp noslēgtas kameras un caurules, kā arī kustīgas daļas, piemēram, griežamās daļas, kas atrodas lielākajā daļā detaļu, kas nepieciešamas gāzes turbīnas dzinējam. Sākumā nebija tik skaidrs, ko darīt ar miniatūru degvielas dzinēju. Mēs domājām, ka mēs varētu ievērojami samazināt izmaksas, ja spēsim noskaidrot iemeslu, kāpēc to nepieciešams daudz, saka Epšteins. Bet vienīgais, ko mēs varējām redzēt darām ar maziem dzinējiem, bija lidot ar mazām lidmašīnām, un tas šķita muļķīgi. Protams, mēs nebijām rēķinājušies ar aizsardzības dienestu.

Protams, ASV militārpersonas pēkšņi apgrūtināja ideju par 15 centimetrus garām lidmašīnām, kas varētu pārvadāt nelielas kameras novērošanai. Epsteins laboratorijas inženieri bija nedaudz mazāk entuziasma; viņiem bija aizdomas, ka lidojumderīgu reaktīvo mikroshēmu iegūšana prasīs pāris gadu desmitus. Tad Epšteins ķērās pie steidzamākas militārās vajadzības: atbrīvoja karavīrus no baterijām, kas daudziem no viņiem ir jāvazājas, lai darbinātu radio, GPS uztvērējus, nakts redzamības brilles un citus sīkrīkus. Un atšķirībā no miniatūras lidmašīnas dzinēja akumulatoru aizstājošai reaktīvai mikroshēmai būtu milzīgs komerciālais potenciāls.

Citi materiālu zinātnieki un inženieri jau sāka strādāt pie veidiem, kā samazināt enerģijas ražošanas iekārtas, lai papildinātu vai nomainītu baterijas, radot jaunu jomu, ko sauc par jaudas MEMS. Populārākā pieeja bija saraušanās kurināmā elementi, kas parasti izlaiž ūdeņradi caur membrānu, kas izvelk elektronus, lai radītu elektrisko strāvu. Taču Epšteins bija pārliecināts, ka gāzes turbīnas ir labāks risinājums, jo tām ir nepārspējama spēja izspiest jaudu no ogļūdeņraža degvielas. Tehnoloģija kļūst vēl pievilcīgāka, ja svara un tilpuma samazināšana ir ļoti svarīga, piemēram, portatīvo ierīču gadījumā. Strūklas mikroshēma būtu ne vairāk kā uz pusi mazāka par mikrokurināmā elementu ar vienādu enerģijas jaudu. Gāzes turbīnai jābūt arī salīdzinoši viegli izgatavojamai, uzskatīja Epšteins, jo to var pilnībā izgatavot no silīcija, izmantojot standarta ražošanas metodes.

Lai gan Epšteins paredzēja, ka viņa mikroversija darbojas aptuveni tāpat kā parastā gāzes turbīna, daudz kas par mikroreaktīvo dzinēju bija noslēpums. Vai silīcijs sabruks zem 1300 °C temperatūras? Vai mikroskopiskie gultņi varētu izturēt vairāk nekā miljonu apgriezienu minūtē? Ar ASV armijas finansējumu Epšteins izmantoja blakus esošo MIT laboratoriju zināšanas šķidrumu mehānikā, materiālu zinātnē, konstrukciju inženierijā un mikrofabrikā. Galu galā projekta komanda kļuva par desmitiem pētnieku, tostarp Marku Spīringu, materiālu inženieri, kura uzdevums bija atrast veidus, kā saglabāt silīcija mikrostruktūras neskartas niknā karstumā un spiedienā. Lielākajā daļā MEMS mikroshēmu tiek kodinātas nelielas struktūras, kuru augstums ir līdz 10 mikroniem, saka Spīrings. Mēs devāmies uz daļām, kas ir simtiem mikronu garas.

Rokā
Šā gada sākumā Epšteins un viņa kolēģi pabeidza ražot dzinējus, kuros darbojas katra atsevišķa daļa: sadegšanas kamera sadedzina degvielu un turbīnas lāpstiņas griežas. Iegūtā ierīce ir noslēgta visapkārt ar caurumiem augšpusē un apakšā gaisa ieplūdei, degvielas ieplūdei un izplūdei. Viens trūkums: tas nedarbojas nepārtraukti. Šķērslis, saka Epšteins, ir nepilnības, kas nelīdzsvaro asmeņus un izraisa to šūpošanos. Mēs domājam, ka zinām, kas jādara, lai to labotu, viņš saka. Problēma ir tā, ka jaunu detaļu iegūšana prasa trīs mēnešus, kad veicat korekciju, tāpēc mēs tikai gaidījām jaunās daļas. Epšteins prognozē, ka mikroshēma darbosies dažu mēnešu laikā pirms grafika. Spīrings lēš, ka versijai, kas spēj nodrošināt pietiekami daudz jaudas, lai darbinātu ierīces, būtu nepieciešami divi līdz trīs gadi, bet vēl viens vai divi gadi, lai izveidotu nopērkamu versiju.

Tas nozīmē, ka ir jāpiekāpjas agrīnā vadībā jaudas MEMS sacensībā ar kurināmā elementiem, kas jau nonāk tirgū. Olbanijā, Ņujorkā bāzētais MTI Micro Fuel Cells gatavojas laist klajā vienu kāršu komplekta lielumu lietošanai pārnēsājamās rūpnieciskās ierīcēs, piemēram, radiofrekvences ID tagu lasītājos, un plāno ieviest nedaudz mazāku versiju mobilajiem tālruņiem, plaukstdatoriem, un digitālās kameras. Ņujorkas kompānija Medis Technologies plāno nākamgad pārdot vienreizējās lietošanas mikro degvielas šūnu par 20 USD.

Mūsu konkurence noteikti ir kurināmā elementi, saka Epšteins. Taču viņš uzstāj, ka turbīnu šķeldas var kompensēt jebkuru zaudēto vietu. Viņš norāda, ka līdz šim mikroturbīnās ir ieguldīti daži miljoni dolāru, salīdzinot ar miljardiem, kas ieguldīti kurināmā elementos. Epšteina ticību veicina turbīnu raksturīgās priekšrocības. Pat mikro degvielas šūnas ir lielākas, un tās ir daudz smalkākas par degvielu nekā turbīnas dzinējs. Bet galu galā viss ir atkarīgs no varas. Lielākajai daļai mikrokurināmā elementu ir grūti izlādēt vienu vai divus vatus, savukārt Epsteins prototipi varētu nodrošināt 15 līdz 20 vatus, kas ir vairāk nekā pietiekami, lai uzturētu enerģiju patērējošu rokas ierīci. Klēpjdatoriem var būt nepieciešami 50 vati, taču dažas turbīnas, kas darbojas kopā, var viegli izsūknēt tik daudz jaudas. Tāpat Epšteins paredz, ka sīku dzinēju kopa, kas katrs spēj ražot līdz pat simts vatiem, varētu nodrošināt māju ar efektīvu un uzticamu elektroenerģijas avotu.

Šāda pāreja noteikti prasīs laiku. Taču Epšteins to uzskata par dabisku paplašinājumu ievērojamajam progresam, ko reaktīvie dzinēji ir panākuši 20. gadsimta otrajā pusē, sākot no jaunajām iznīcinātāju lidmašīnām, kas parādījās Otrajā pasaules karā, un beidzot ar izcilajiem dzinējiem, kas darbina mūsdienu lielas lidmašīnas. Un, lai gan Epšteins prognozē, ka no inženieru viedokļa viņa sīkās, uz mikroshēmām balstītās turbīnas sākotnēji darbosies vairāk kā 40. gadu novatoriskās strūklas, nevis kā mūsdienu superefektīvās gāzes turbīnas, viņš ir pilnībā pārliecināts par tehnoloģiju milzīgo attīstības potenciālu. Patiešām, viņa laboratoriju muzejā novecojošie dzinēji vienmēr atgādina par gāzes turbīnu satriecošo jaudu.

paslēpties