Slå på ett chip

Alan Epstein är snabb med att berätta att han är en jetmotorkille - ifall du inte har gissat så mycket från turbinmotordelarna som är strödda runt hans kontor eller museet på hans labbs bottenvåning, som inkluderar ett sällsynt exempel på en tysk motor från 1944 som hjälpte till att starta jetåldern. För chefen för MITs Gasturbine Laboratory, som står en något böjd fem fot sex fot, har fascinationen att göra med rå kraft. Motorerna på en Boeing 747 trycker igenom luft vid Mach 1 med 120 000 pund kraft, säger Epstein. Motorerna på tre 747:or ger lika mycket kraft som ett kärnkraftverk.

Gasturbiner drev mycket av 1900-talets teknologi, från kommersiella och militära flygplan till de stora gaseldade anläggningarna som hjälpte till att leverera amerikansk el. Men i dessa dagar är det inte de stora maskinerna i laboratoriemuseet som fångar Epsteins entusiasm. Istället är det en jetmotor som krympt till ungefär storleken på en kappaknapp som sitter i hörnet av hans skrivbord. Det är en Lilliputian-version av multitonjetmotorerna som förändrade flygresorna, och han tror att den kan vara nyckeln till att driva 2000-talets teknologi.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2004

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Även om turbinbladen spänner över en yta som är mindre än en krona, snurrar de med mer än en miljon varv per minut och är designade för att producera tillräckligt med el för att driva handhållen elektronik. Inom en överskådlig framtid, förväntar Epstein, kommer hans små turbiner att fungera som batteriersättning, först för soldater och sedan för konsumenter. Men han har en ännu mer ambitiös vision: att små kluster av motorer skulle kunna fungera som hemgenererande anläggningar och befria konsumenterna från elnätet, med dess enstaka black- och brownouts. Tekniken kan vara särskilt användbar i fattiga länder och avlägsna områden som saknar omfattande och pålitliga nät för distribution av el. En jämförelse med hur den kontinuerliga krympningen av den integrerade kretsen drev den mikroelektroniska revolutionen är frestande. Precis som datorer pressade ut datorinfrastrukturen till användarna, kunde mikromotorer driva ut samhällets energiinfrastruktur till användarna, säger Epstein.

Epsteins omedelbara mål är dock att använda dessa miniatyrmotorer som ett billigt och effektivt alternativ till batterier för mobiltelefoner, digitalkameror, handdatorer, bärbara datorer och andra bärbara elektroniska enheter. Motivationen är enkel: batterier är tunga och dyra och kräver frekvent laddning. Och de producerar inte mycket elektricitet, trots sin storlek och vikt.

Konsekvenserna av dessa brister går utöver besvär för konsumenterna. Dagens soldater tvingas ofta släpa runt på tegelstora batterier för att driva sin högteknologiska utrustning. Och på grund av kortlivade strömförsörjningar tvingas designers av nästa generations elektronik ofta att utelämna energikrävande förbättringar och funktioner som större, ljusare skärmar och kraftfullare processorer. Ta till exempel den ultimata handdatorn från Frog Design, ett Sunnyvale, CA-baserat företag som specialiserat sig på industriell design. Enheten kombinerar flera mobiltelefon- och Wi-Fi-radioprotokoll, GPS-plats, en projektionsskärm, funktionaliteten hos en bärbar dator och möjligheten att bläddra igenom videobibliotek och spela upp filmer i full längd. Men det finns bara som en mock-up; det skulle tömma vilket lagom stort batteri som helst på en halvtimme. Med funktioner som GPS-plats och radiokommunikation, äter du bara på batterierna, säger Valerie Casey på Frog Design.

En mikrogasturbinmotor skulle förändra allt detta. Den kunde köras i tio eller fler timmar på en behållare med dieselbränsle som är något större än ett D-batteri; när bränslepatronen tog slut kunde en ny enkelt bytas in. Varje engångspatron skulle packa lika mycket energi som några tunga nävar litiumjonbatterier. Som ett resultat kunde ett litet paket av billiga och lätta patroner driva en handdator eller mobiltelefon genom flera dagars tung användning, ingen laddning av vägguttaget krävde en mycket attraktiv funktion för soldater på avlägsna platser eller resenärer. Dessutom tar miniatyrturbinen upp ungefär en fjärdedel av volymen av ett typiskt mobiltelefonbatteri.

Inte för att en mikromotor är utan nackdelar. Det skulle skjuta en liten ström av heta avgaser, för en sak, vilket gör den mer lämpad för enheter som fästs i bälten eller bärs i portföljer än för de som är stoppade i fickorna. Motorn i sig skulle bli varm, även om en avgasdämpare lätt skulle hålla enheterna från att bli mycket varmare än de gör idag. Men för många energikrävande tillämpningar, säger Epstein, skulle en liten turbins anmärkningsvärda effekt vida uppväga alla nackdelar. Föreslår Epstein, Du behöver inte en mycket bra jetmotor för att klara sig bättre än batterier.

Grundad
Epstein började fundera på att bygga en jetmotor på ett chip för nästan ett decennium sedan. Vid den tiden tog mikroelektromekaniska system (MEMS) fart. Tekniker hade dykt upp för att skära in nya typer av funktioner i ytorna på plattor av kisel, inklusive förseglade kammare och rör och rörliga delar som snurrande hjul mest av de delar som behövs för en gasturbinmotor. Mindre klart till en början var vad man skulle göra med en bränsleförbrännande miniatyrmotor. Vi trodde att vi skulle kunna få ner kostnaden långt om vi kunde ta reda på en anledning till att vi behöver många av dem, säger Epstein. Men det enda vi kunde se göra med små motorer var att flyga små flygplan, och det verkade dumt. Naturligtvis hade vi inte räknat med DoD.

Visst, den amerikanska militären blev plötsligt upprörd över idén om 15 centimeter långa plan som kunde bära små kameror för övervakning. Ingenjörerna vid Epsteins labb var något mindre entusiastiska; de misstänkte att det skulle ta ett par decennier att få jetchips som var flygvärdiga. Sedan tog Epstein ett mer omedelbart militärt behov: att befria soldater från de batterier som många av dem måste släpa runt för att driva radioapparater, GPS-mottagare, nattsynsglasögon och andra prylar. Och till skillnad från en miniatyrflygplansmotor skulle ett batteriersättande jetchip ha en enorm kommersiell potential.

Andra materialforskare och ingenjörer började redan arbeta på sätt att krympa kraftproducerande maskiner för att komplettera eller ersätta batterier, vilket skapade ett nytt fält som kallas power MEMS. Den mest populära metoden involverade krympande bränsleceller, som vanligtvis passerar väte genom ett membran som drar ut elektroner för att skapa en elektrisk ström. Men Epstein var övertygad om att gasturbiner var en bättre väg att gå, på grund av deras oöverträffade förmåga att vrida ur kraften ur kolvätebränslen. Tekniken blir ännu mer tilltalande där det är viktigt att minimera vikt och volym, som med bärbara enheter. Ett jetchip skulle vara högst hälften så stort som en mikrobränslecell med samma energikapacitet. En gasturbin borde också vara relativt lätt att tillverka, tänkte Epstein, eftersom den kunde byggas helt av kisel, med standardtillverkningstekniker.

Även om Epstein föreställde sig att hans mikroversion skulle fungera ungefär på samma sätt som en konventionell gasturbin, var mycket om mikrojetmotorer ett mysterium. Skulle kisel smula sönder under 1 300 °C temperaturer? Skulle mikroskopiska lager klara en miljon plus varv per minut? Med finansiering från den amerikanska militären utnyttjade Epstein expertis hos närliggande MIT-laboratorier inom vätskemekanik, materialvetenskap, konstruktionsteknik och mikrotillverkning. Projektgruppen svällde så småningom till dussintals forskare, inklusive Mark Spearing, en materialingenjör med uppgift att hitta sätt att hålla kiselmikrostrukturerna intakta under rasande värme och tryck. De flesta MEMS-chips involverar etsning av små strukturer upp till 10 mikron höga, säger Spearing. Vi skulle till delar som är hundratals mikron höga.

I hand
Tidigare i år slutade Epstein och hans medarbetare att tillverka motorer där var och en av de enskilda delarna fungerar: förbränningskammaren förbränner bränsle och turbinbladen snurrar. Den resulterande enheten är förseglad runt om, med hål på toppen och botten för luftintag, bränsleintag och avgaser. En brist: den körs inte kontinuerligt. Hindret, säger Epstein, är ofullkomligheter som obalanserar bladen och får dem att vingla. Vi tror att vi vet vad vi ska göra för att rätta till det, säger han. Problemet är att det tar tre månader att få nya delar när man gör en justering, så det var bara att vänta på de nya delarna. Epstein förutspår att chippet kommer att fungera inom månader, lite före schemat. Spearing uppskattar att en version som kan lägga ut tillräckligt med ström för att köra enheter skulle ta två till tre år mer, med ytterligare ett eller två år utöver det för att producera en säljbar version.

Det innebär att man erkänner en tidig ledning i Power MEMS-kapplöpningen till bränsleceller, som redan når marknaden. Albany, NY-baserade MTI Micro Fuel Cells förbereder sig för att lansera en lika stor som en kortlek för användning i handhållna industriella enheter som radiofrekventa ID-taggläsare och har planer på att rulla ut en något mindre version för mobiltelefoner, handdatorer, och digitalkameror. Medis Technologies i New York City har för avsikt att sälja en engångsmikrobränslecell för 20 USD nästa år.

Vår konkurrens är bränsleceller, absolut, säger Epstein. Men han insisterar på att turbinflis kan ta igen all förlorad mark. Hittills har några miljoner dollar investerats i mikroturbiner, jämfört med de miljarder som investerats i bränsleceller, påpekar han. Epsteins tro drivs av de inneboende fördelarna han ser med turbiner. Även mikrobränsleceller är större, och de är mycket mer kräsna om bränsle än en turbinmotor. Men i slutändan kommer allt till makten. De flesta mikrobränsleceller kämpar för att få ut en watt eller två, medan Epsteins prototyper kan ge 15 till 20 watt, mer än tillräckligt för att hålla en kraftkrävande handhållen enhet igång. Bärbara datorer kan kräva 50 watt, men några turbiner som arbetar tillsammans kan lätt pumpa ut så mycket ström. På samma sätt föreställer sig Epstein att ett kluster av små motorer, som var och en kan producera upp till hundra watt, skulle kunna förse ett hem med en effektiv och pålitlig elkälla.

Den övergången kommer säkert att ta tid. Men Epstein ser det som den naturliga förlängningen av de anmärkningsvärda framsteg som jetmotorer har gjort under andra hälften av 1900-talet, från de nya stridsflygplanen som dök upp under andra världskriget till de enorma motorerna som driver dagens jumbojet. Och även om Epstein förutspår att hans små chipbaserade turbiner från en ingenjörssynpunkt till en början kommer att prestera mer som 1940-talets banbrytande jetstrålar än som dagens supereffektiva gasturbiner, så är han helt säker på teknikens stora potential att utvecklas. De åldrande motorerna i hans labbmuseum är faktiskt en ständigt närvarande påminnelse om gasturbinernas fantastiska kraft.

Dölj