Įjunkite lustą

Alanas Epsteinas greitai pasako, kad jis yra reaktyvinių variklių vaikinas – tik tuo atveju, jei neatspėjote tiek iš turbinos variklio dalių, išsibarsčiusių po jo biurą ar muziejų jo laboratorijos pirmame aukšte, kuriame yra retas 1944 m. vokiško variklio pavyzdys. padėjo pradėti reaktyvinį amžių. MITs dujų turbinų laboratorijos direktoriaus, kuris stovi 5 pėdų aukštyje, susižavėjimas susijęs su neapdorota galia. „Boeing 747“ varikliai praleidžia orą 1 Mach greičiu 120 000 svarų jėga, sako Epsteinas. Trijų 747 varikliai išskiria tiek pat galios, kiek atominė elektrinė.

Dujų turbinos varė didžiąją dalį XX amžiaus technologijų – nuo ​​komercinių ir karinių orlaivių iki didelių dujomis kūrenamų elektrinių, kurios padėjo tiekti JAV elektros energiją. Tačiau šiomis dienomis Epsteino entuziazmą užvaldo ne stambios mašinos laboratorijų muziejuje. Vietoj to, jo reaktyvinis variklis susitraukė iki maždaug palto mygtuko, esančio ant jo stalo kampo, dydžio. Tai liliputinė kelių tonų reaktyvinių variklių versija, pakeitusi keliones lėktuvu, ir, jo manymu, tai gali būti raktas į 21-ojo amžiaus technologiją.

Ši istorija buvo mūsų 2004 m. lapkričio mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Nors turbinų mentės apima mažesnį nei cento plotą, jos sukasi daugiau nei milijonu apsisukimų per minutę ir yra skirtos gaminti pakankamai elektros energijos rankinei elektronikai maitinti. Artimiausioje ateityje Epsteinas tikisi, kad jo mažytės turbinos bus naudojamos kaip baterijos pakaitalas, pirmiausia kareiviams, o vėliau ir vartotojams. Tačiau jis turi dar ambicingesnę viziją: mažos variklių grupės galėtų pasitarnauti kaip namų gamybos įrenginiai, išlaisvinantys vartotojus nuo elektros tinklo, kartais užtemdydami ir užgesdami. Ši technologija gali būti ypač naudinga neturtingose ​​šalyse ir atokiose vietovėse, kuriose trūksta plačių ir patikimų elektros skirstymo tinklų. Palyginimas su tuo, kaip nuolatinis integrinio grandyno susitraukimas paskatino mikroelektronikos revoliuciją, yra viliojantis. Kaip kompiuteriai išstūmė kompiuterinę infrastruktūrą vartotojams, mikrovarikliai gali išstumti visuomenės energijos infrastruktūrą vartotojams, sako Epsteinas.

Tačiau artimiausias Epsteino tikslas yra naudoti šiuos miniatiūrinius variklius kaip pigią ir efektyvią alternatyvą mobiliųjų telefonų, skaitmeninių fotoaparatų, delninių kompiuterių, nešiojamųjų kompiuterių ir kitų nešiojamų elektroninių prietaisų baterijoms. Motyvacija paprasta: akumuliatoriai yra sunkūs ir brangūs, todėl juos reikia dažnai įkrauti. Ir jie negamina daug elektros, nepaisant jų dydžio ir svorio.

Šių gedimų pasekmės neapsiriboja vartotojų nepatogumais. Šiandieniniai kariai dažnai yra priversti glaustis aplink plytos dydžio baterijas, kad galėtų maitinti savo aukštųjų technologijų įrangą. Dėl trumpalaikių maitinimo šaltinių naujos kartos elektronikos dizaineriai dažnai yra priversti atsisakyti energijos reikalaujančių patobulinimų ir funkcijų, tokių kaip didesni, ryškesni ekranai ir galingesni procesoriai. Paimkite, pavyzdžiui, geriausią PDA iš Frog Design, Sunnyvale, CA įsikūrusios įmonės, kuri specializuojasi pramoninio dizaino srityje. Įrenginys apjungia kelis mobiliųjų telefonų ir Wi-Fi radijo protokolus, GPS vietą, projekcinį ekraną, nešiojamojo kompiuterio funkcionalumą ir galimybę naršyti vaizdo įrašų bibliotekas ir leisti pilnametražius filmus. Bet ji egzistuoja tik kaip maketas; per pusvalandį išeikvotų bet kokią pagrįsto dydžio bateriją. Naudodami tokias funkcijas kaip GPS vieta ir radijo ryšys, jūs tiesiog valgote iš baterijų, sako Valerie Casey iš Frog Design.

Mikro dujų turbininis variklis visa tai pakeistų. Jis galėtų veikti dešimt ar daugiau valandų su dyzelinio kuro talpa, šiek tiek didesne nei D baterija; pasibaigus degalų kasetei, buvo galima lengvai pakeisti naują. Kiekviena vienkartinė kasetė sukauptų tiek energijos, kiek kelios sunkios saujos ličio jonų akumuliatorių. Dėl to nedidelė pigių ir lengvų kasečių pakuotė galėtų maitinti PDA arba mobilųjį telefoną per kelias dienas intensyviai naudojant, todėl nereikia įkrauti iš sieninio lizdo, o tai labai patraukli kariams atokiose vietose ar keliaujantiems. Be to, miniatiūrinė turbina užima maždaug ketvirtadalį įprastos mobiliojo telefono baterijos tūrio.

Ne tai, kad mikro variklis yra be trūkumų. Viena vertus, jis išmestų mažytę karštų išmetamųjų dujų srovę, todėl labiau tiktų prie diržų prisegamiems arba portfeliuose nešiojamiems įrenginiams, o ne kišenėse. Pats variklis įkaistų, nors išmetimo slopintuvas neleistų prietaisams įkaisti daug šiltesnių nei šiandien. Tačiau daugeliui energijos ištroškusių programų, sako Epsteinas, mažytės turbinos puiki galia būtų gerokai didesnė už visus trūkumus. Siūlo Epsteiną, jums nereikia labai gero reaktyvinio variklio, kad jis veiktų geriau nei akumuliatoriai.

Įžemintas
Epsteinas pradėjo galvoti apie reaktyvinio variklio sukūrimą ant lusto beveik prieš dešimtmetį. Tuo metu mikroelektromechaninės sistemos (MEMS) įsibėgėjo. Atsirado technikos, leidžiančios į silicio plokščių paviršių iškirpti naujų tipų ypatybes, įskaitant sandarias kameras ir vamzdžius bei judančias dalis, pavyzdžiui, besisukančius ratus, kurių dauguma reikalingų dujų turbininiam varikliui. Iš pradžių buvo mažiau aišku, ką daryti su miniatiūriniu kuru deginančiu varikliu. Manėme, kad galėsime gerokai sumažinti išlaidas, jei išsiaiškinsime, kodėl jų reikia daug, sako Epsteinas. Tačiau vienintelis dalykas, kurį matėme darydami su mažais varikliais, buvo skraidymas mažais lėktuvais, ir tai atrodė kvaila. Žinoma, mes nesiskaičiavome DoD.

Tiesa, JAV kariškiai netikėtai užklupo mintį apie 15 centimetrų ilgio lėktuvus, kuriuose būtų galima gabenti mažas stebėjimo kameras. Epsteins laboratorijos inžinieriai buvo šiek tiek mažiau entuziastingi; jie įtarė, kad norint gauti tinkamų skraidyti reaktyvinių lustų, prireiks poros dešimtmečių. Tada Epsteinas ėmėsi neatidėliotinų karinių poreikių: išlaisvino kareivius nuo baterijų, kurias daugelis jų turi temptis, kad galėtų maitinti radijo imtuvus, GPS imtuvus, naktinio matymo akinius ir kitus įtaisus. Ir skirtingai nei miniatiūrinis orlaivio variklis, akumuliatorių pakeičiantis reaktyvinis lustas turėtų didžiulį komercinį potencialą.

Kiti medžiagų mokslininkai ir inžinieriai jau pradėjo ieškoti būdų, kaip sumažinti energiją gaminančias mašinas, kad papildytų ar pakeistų baterijas, sukurdami naują sritį, vadinamą galios MEMS. Populiariausias būdas buvo susitraukti kuro elementai, kurie paprastai praleidžia vandenilį per membraną, kuri ištraukia elektronus, kad sukurtų elektros srovę. Tačiau Epsteinas buvo įsitikinęs, kad dujų turbinos yra geresnis būdas, nes jos turi neprilygstamą gebėjimą išgauti energiją iš angliavandenilių. Technologija tampa dar patrauklesnė ten, kur itin svarbu sumažinti svorį ir tūrį, kaip ir nešiojamiesiems įrenginiams. Reaktyvinis lustas būtų ne daugiau kaip perpus mažesnis už vienodos energijos talpos mikro kuro elementą. Dujų turbina taip pat turėtų būti gana lengva pagaminti, suprato Epsteinas, nes ji gali būti pagaminta tik iš silicio, naudojant standartines gamybos technologijas.

Nors Epsteinas įsivaizdavo, kad jo mikro versija veikia maždaug taip pat, kaip veikia įprastinė dujų turbina, daug apie mikroreaktyvinius variklius buvo paslaptis. Ar silicis subyrėtų esant 1300 °C temperatūrai? Ar mikroskopiniai guoliai galėtų atlaikyti milijoną apsisukimų per minutę? Gavęs finansavimą iš JAV kariuomenės, Epsteinas pasinaudojo kaimyninių MIT laboratorijų patirtimi skysčių mechanikos, medžiagų mokslo, konstrukcijų inžinerijos ir mikrogamybos srityse. Galiausiai projekto komanda išsiplėtė iki dešimčių tyrėjų, įskaitant Marką Spearingą, medžiagų inžinierių, kuriam pavesta ieškoti būdų, kaip išlaikyti nepažeistas silicio mikrostruktūras esant įnirtingam karščiui ir slėgiui. Dauguma MEMS lustų apima mažų, iki 10 mikronų aukščio, struktūrų ėsdinimą, sako Spearing. Mes ėjome į dalis, kurios yra šimtų mikronų aukščio.

Rankoje
Šių metų pradžioje Epsteinas ir jo bendradarbiai baigė gaminti variklius, kuriuose veikia kiekviena atskira dalis: degimo kamera degina degalus, o turbinos mentės sukasi. Gautas įtaisas yra sandarus, o viršuje ir apačioje yra angos oro įsiurbimui, degalų įsiurbimui ir išmetimui. Vienas trūkumas: jis neveikia nuolat. Epsteino teigimu, kliūtis yra netobulumai, kurie išbalansuoja ašmenis ir sukelia jų klibėjimą. Manome, kad žinome, ką daryti, kad tai ištaisytume, sako jis. Problema ta, kad prireikia trijų mėnesių gauti naujas dalis, kai atliekate reguliavimą, todėl tiesiog laukėme naujų dalių. Epsteinas prognozuoja, kad lustas pradės veikti per kelis mėnesius, šiek tiek anksčiau nei numatyta. Spearing apskaičiavo, kad versijai, galinčiai tiekti pakankamai energijos, kad įrenginiai veiktų, prireiktų dar dvejų ar trejų metų, o dar vienerius ar dvejus, kad būtų sukurta tinkama versija.

Tai reiškia ankstyvą pranašumą MEMS energijos lenktynėse su kuro elementais, kurie jau pasirodo rinkoje. Olbanyje, Niujorke įsikūrusi įmonė MTI Micro Fuel Cells ruošiasi išleisti vieną kortelių kaladės dydžio kortelių rinkinį, skirtą naudoti nešiojamuose pramoniniuose įrenginiuose, tokiuose kaip radijo dažnio ID žymų skaitytuvai, ir planuoja išleisti šiek tiek mažesnę versiją mobiliesiems telefonams, delniniams kompiuteriams, ir skaitmeniniai fotoaparatai. Niujorko „Medis Technologies“ kitais metais ketina parduoti vienkartinį mikro kuro elementą už 20 USD.

Mūsų konkurencija yra kuro elementai, sako Epsteinas. Tačiau jis tvirtina, kad turbinos lustai gali kompensuoti bet kokią prarastą vietą. Jis pabrėžia, kad iki šiol į mikroturbinas buvo investuota keli milijonai dolerių, palyginti su milijardais, investuotais į kuro elementus. Epsteino tikėjimą skatina būdingi turbinų pranašumai. Netgi mikro kuro elementai yra didesni ir kur kas sudėtingesni nei turbininis variklis. Tačiau galiausiai viskas priklauso nuo valdžios. Daugumai mikro kuro elementų sunku išleisti vieną ar du vatus, o Epsteins prototipai gali suteikti 15–20 vatų, o tai yra daugiau nei pakankamai, kad energijos ištroškęs delninis įrenginys veiktų. Nešiojamiesiems kompiuteriams gali prireikti 50 vatų, tačiau kelios kartu veikiančios turbinos gali lengvai išpumpuoti tiek energijos. Taip pat Epsteinas numato, kad mažų variklių, kurių kiekvienas gali pagaminti iki šimto vatų, grupė galėtų aprūpinti namus efektyviu ir patikimu elektros energijos šaltiniu.

Tas perėjimas tikrai užtruks. Tačiau Epsteinas mano, kad tai yra natūralus XX amžiaus antroje pusėje pasiektos nepaprastos reaktyvinių variklių pažangos tęsinys – nuo ​​naujų naikintuvų, pasirodžiusių Antrajame pasauliniame kare, iki begemotiškų variklių, varančių šiandieninius didžiuosius lėktuvus. Ir nors Epsteinas prognozuoja, kad, žvelgiant iš inžinierių, jo mažytės drožlių turbinos iš pradžių veiks labiau kaip novatoriškos XX a. 4-ojo dešimtmečio čiurkšlės, o ne kaip šiandieninės itin efektyvios dujų turbinos, jis yra visiškai įsitikinęs, kad technologijos turi didžiulį tobulėjimo potencialą. Iš tiesų, senstantys varikliai jo laboratorijų muziejuje yra nuolatinis priminimas apie nuostabią dujų turbinų galią.

paslėpti