Stroom op een chip

Alan Epstein vertelt je snel dat hij een straalmotorman is - voor het geval je niet zoveel hebt geraden van de onderdelen van de turbinemotor die rond zijn kantoor of het museum op de begane grond van zijn lab liggen, waaronder een zeldzaam voorbeeld van een Duitse motor uit 1944 die hielp het jettijdperk af te trappen. Voor de directeur van MIT's Gas Turbine Laboratory, die een beetje voorovergebogen staat, heeft de fascinatie te maken met brute kracht. De motoren van een Boeing 747 duwen lucht door Mach 1 met 120.000 pond kracht, zegt Epstein. De motoren van drie 747's leveren evenveel vermogen als een kerncentrale.

Gasturbines dreven een groot deel van de 20e-eeuwse technologie aan, van commerciële en militaire vliegtuigen tot de grote gasgestookte centrales die hielpen bij het leveren van Amerikaanse elektriciteit. Maar tegenwoordig zijn het niet de kolossale machines in het labs-museum die Epsteins enthousiasme vangen. In plaats daarvan is het een straalmotor die is gekrompen tot ongeveer de grootte van een jasknop die op de hoek van zijn bureau staat. Het is een lilliputter-versie van de multiton-straalmotoren die het vliegverkeer hebben veranderd, en hij gelooft dat het de sleutel kan zijn tot het aandrijven van de technologie van de 21e eeuw.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2004

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Hoewel de bladen van de turbines een gebied beslaan dat kleiner is dan een dubbeltje, draaien ze met meer dan een miljoen omwentelingen per minuut en zijn ze ontworpen om genoeg elektriciteit te produceren om draagbare elektronica van stroom te voorzien. In de nabije toekomst, verwacht Epstein, zullen zijn kleine turbines dienen als batterijvervanging, eerst voor soldaten en vervolgens voor consumenten. Maar hij heeft een nog ambitieuzere visie: dat kleine clusters van de motoren zouden kunnen dienen als thuiscentrales, waardoor consumenten worden bevrijd van het elektriciteitsnet, met af en toe een stroomstoring. De technologie kan vooral nuttig zijn in arme landen en afgelegen gebieden die geen uitgebreide en betrouwbare netten hebben voor de distributie van elektriciteit. Een vergelijking met hoe de voortdurende krimp van de geïntegreerde schakeling de micro-elektronische revolutie dreef, is verleidelijk. Net zoals pc's de computerinfrastructuur naar gebruikers duwden, zouden micro-engines de energie-infrastructuur van de samenleving naar gebruikers kunnen duwen, zegt Epstein.

Het directe doel van Epstein is echter om deze miniatuurmotoren te gebruiken als een goedkoop en efficiënt alternatief voor batterijen voor mobiele telefoons, digitale camera's, PDA's, laptops en andere draagbare elektronische apparaten. De motivatie is simpel: batterijen zijn zwaar en duur en moeten regelmatig worden opgeladen. En ze produceren niet veel elektriciteit, ondanks al hun afmetingen en gewicht.

De gevolgen van deze tekortkomingen gaan verder dan het ongemak voor de consument. Tegenwoordig worden soldaten vaak gedwongen om met batterijen ter grootte van een baksteen te sjouwen om hun hightech uitrusting van stroom te voorzien. En verlamd door kortstondige voedingen, worden ontwerpers van elektronica van de volgende generatie vaak gedwongen om energieverslindende verbeteringen en functies zoals grotere, helderdere schermen en krachtigere processors weg te laten. Neem bijvoorbeeld de ultieme PDA van Frog Design, een bedrijf uit Sunnyvale, CA dat gespecialiseerd is in industrieel ontwerp. Het apparaat combineert meerdere mobiele telefoon- en wifi-radioprotocollen, GPS-locatie, een projectiescherm, de functionaliteit van een laptop en de mogelijkheid om door videobibliotheken te bladeren en volledige films af te spelen. Maar het bestaat alleen als een mock-up; het zou elke redelijk grote batterij binnen een half uur leegmaken. Met functies zoals GPS-locatie en radiocommunicatie eet je gewoon je batterijen, zegt Valerie Casey van Frog Design.

Een microgasturbinemotor zou daar verandering in brengen. Het kan tien of meer uur werken op een container met dieselbrandstof die iets groter is dan een D-batterij; als de tankpatroon leeg was, kon er gemakkelijk een nieuwe worden ingewisseld. Elke wegwerppatroon zou net zoveel energie bevatten als een paar zware handenvol lithium-ionbatterijen. Als gevolg hiervan kon een klein pakket goedkope en lichte cartridges een PDA of mobiele telefoon meerdere dagen van intensief gebruik van stroom voorzien, opladen via een stopcontact was niet nodig, een zeer aantrekkelijke functie voor soldaten op afgelegen locaties of reizigers. Bovendien neemt de miniatuurturbine ongeveer een kwart van het volume van een typische batterij van een mobiele telefoon in beslag.

Niet dat een micromotor zonder nadelen is. Het zou bijvoorbeeld een kleine stroom heet uitlaatgas afschieten, waardoor het meer geschikt is voor apparaten die aan riemen worden vastgemaakt of in aktetassen worden gedragen dan voor apparaten die in zakken worden gestopt. De motor zelf zou heet worden, hoewel een uitlaatdemper gemakkelijk zou voorkomen dat apparaten veel warmer worden dan tegenwoordig. Maar voor veel energieverslindende toepassingen, zegt Epstein, zou het opmerkelijke vermogen van een kleine turbine veel groter zijn dan de nadelen. Stelt Epstein voor, je hebt geen erg goede straalmotor nodig om het beter te doen dan batterijen.

geaard
Epstein begon bijna tien jaar geleden na te denken over het bouwen van een straalmotor op een chip. In die tijd kwamen micro-elektromechanische systemen (MEMS) op snelheid. Er waren technieken ontwikkeld om nieuwe soorten kenmerken in de oppervlakken van platen van silicium te snijden, inclusief afgedichte kamers en pijpen en bewegende delen zoals draaiende wielen, de meeste onderdelen die nodig zijn voor een gasturbinemotor. In het begin was het minder duidelijk wat men zou doen met een miniatuurmotor die brandstof verbruikt. We dachten dat we de kosten veel zouden kunnen drukken als we een reden konden bedenken waarom we er veel nodig hadden, zegt Epstein. Maar het enige dat we met kleine motoren konden zien, was vliegen met kleine vliegtuigen, en dat leek stom. Natuurlijk hadden we niet op de DoD gerekend.

En ja hoor, het Amerikaanse leger werd plotseling bedolven onder het idee van 15 centimeter lange vliegtuigen die kleine camera's konden dragen voor bewaking. De ingenieurs van Epsteins lab waren iets minder enthousiast; ze vermoedden dat het een paar decennia zou duren om jetchips te krijgen die luchtwaardig waren. Toen greep Epstein in op een meer directe militaire behoefte: soldaten bevrijden van de batterijen die velen van hen moeten sjouwen om radio's, GPS-ontvangers, nachtkijkers en andere gadgets van stroom te voorzien. En in tegenstelling tot een miniatuurvliegtuigmotor, zou een batterijvervangende jetchip een enorm commercieel potentieel hebben.

Andere materiaalwetenschappers en ingenieurs begonnen al te werken aan manieren om energieproducerende machines te verkleinen om batterijen aan te vullen of te vervangen, waardoor een nieuw veld ontstond dat power MEMS wordt genoemd. De meest populaire benadering was het verkleinen van brandstofcellen, die waterstof doorgaans door een membraan laten gaan dat elektronen naar buiten trekt om een ​​elektrische stroom te creëren. Maar Epstein was ervan overtuigd dat gasturbines een betere manier waren om te gaan, vanwege hun ongeëvenaarde vermogen om energie uit koolwaterstofbrandstoffen te persen. De technologie wordt nog aantrekkelijker wanneer het minimaliseren van gewicht en volume van cruciaal belang is, zoals bij draagbare apparaten. Een jetchip zou hooguit half zo groot zijn als een microbrandstofcel met dezelfde energiecapaciteit. Een gasturbine moet ook relatief eenvoudig te fabriceren zijn, bedacht Epstein, omdat hij volledig uit silicium zou kunnen worden gebouwd met behulp van standaard fabricagetechnieken.

Hoewel Epstein zich voorstelde dat zijn microversie ongeveer op dezelfde manier zou werken als een conventionele gasturbine, was veel over microstraalmotoren een mysterie. Zou silicium afbrokkelen bij een temperatuur van 1.300 °C? Kunnen microscopisch kleine lagers meer dan een miljoen omwentelingen per minuut aan? Met financiering van het Amerikaanse leger maakte Epstein gebruik van de expertise van naburige MIT-laboratoria op het gebied van vloeistofmechanica, materiaalkunde, structurele engineering en microfabricage. Het projectteam groeide uiteindelijk uit tot tientallen onderzoekers, waaronder Mark Spearing, een materiaalingenieur die was belast met het vinden van manieren om de siliciummicrostructuren intact te houden onder woedende hitte en druk. De meeste MEMS-chips omvatten het etsen van kleine structuren tot 10 micron hoog, zegt Spearing. We gingen naar onderdelen die honderden microns hoog zijn.

In de hand
Eerder dit jaar waren Epstein en zijn collega's klaar met het maken van motoren waarin elk van de afzonderlijke onderdelen functioneert: de verbrandingskamer verbrandt brandstof en de turbinebladen draaien. Het resulterende apparaat is rondom afgedicht, met gaten aan de boven- en onderkant voor luchtinlaat, brandstofinlaat en uitlaat. Eén minpuntje: hij draait niet continu. Het obstakel, zegt Epstein, zijn onvolkomenheden die de bladen uit balans brengen en ervoor zorgen dat ze wiebelen. We denken te weten wat we moeten doen om het te corrigeren, zegt hij. Het probleem is dat het drie maanden duurt om nieuwe onderdelen te krijgen als je een aanpassing maakt, dus wachtte je gewoon op de nieuwe onderdelen. Epstein voorspelt dat de chip binnen enkele maanden zal werken, iets eerder dan gepland. Spearing schat dat een versie die genoeg stroom kan leveren om apparaten te laten werken, nog twee tot drie jaar nodig zou hebben, en nog een jaar of twee om een ​​verkoopbare versie te produceren.

Dat betekent een vroege voorsprong in de power MEMS-race naar brandstofcellen, die al op de markt komen, toe te geven. Het in Albany, NY gevestigde MTI Micro Fuel Cells bereidt de lancering voor van een kaart ter grootte van een kaartspel voor gebruik in draagbare industriële apparaten zoals radiofrequentie-ID-taglezers en heeft plannen om een ​​iets kleinere versie uit te rollen voor mobiele telefoons, PDA's, en digitale camera's. Medis Technologies uit New York City is van plan om volgend jaar een wegwerpbare microbrandstofcel van $ 20 te verkopen.

Onze concurrentie is absoluut brandstofcellen, zegt Epstein. Maar hij houdt vol dat turbinespaanders elk verloren terrein kunnen goedmaken. Tot nu toe is er een paar miljoen dollar geïnvesteerd in microturbines, vergeleken met de miljarden die in brandstofcellen zijn geïnvesteerd, merkt hij op. Epsteins geloof wordt gevoed door de inherente voordelen die hij in turbines ziet. Zelfs microbrandstofcellen zijn groter, en ze zijn veel kieskeuriger over brandstof dan een turbinemotor. Maar uiteindelijk komt het allemaal neer op macht. De meeste microbrandstofcellen hebben moeite om een ​​of twee watt te produceren, terwijl de prototypes van Epstein 15 tot 20 watt kunnen leveren, meer dan genoeg om een ​​energieverslindend handheld-apparaat draaiende te houden. Laptopcomputers kunnen 50 watt nodig hebben, maar een paar samenwerkende turbines kunnen gemakkelijk zoveel vermogen wegpompen. Evenzo stelt Epstein zich voor dat een cluster van kleine motoren, elk in staat tot honderd watt te produceren, een huis zou kunnen voorzien van een efficiënte en betrouwbare bron van elektriciteit.

Die omschakeling zal zeker tijd kosten. Maar Epstein ziet het als de natuurlijke uitbreiding van de opmerkelijke vooruitgang die straalmotoren in de tweede helft van de 20e eeuw hebben geboekt, van de nieuwe gevechtsvliegtuigen die in de Tweede Wereldoorlog verschenen tot de gigantische motoren die de jumbojets van vandaag aandrijven. En hoewel Epstein voorspelt dat, vanuit het oogpunt van ingenieurs, zijn kleine op chips gebaseerde turbines in eerste instantie meer zullen presteren als de baanbrekende jets van de jaren 1940 dan als de superefficiënte gasturbines van vandaag, heeft hij volledig vertrouwen in het enorme potentieel van de technologie om te evolueren. Inderdaad, de verouderende motoren in het museum van zijn laboratoria zijn een altijd aanwezige herinnering aan de ontzagwekkende kracht van de gasturbines.

zich verstoppen