Микрогенератор вместо батареи

Еще в середине прошлого века никто не мог представить, что компьютер, занимающий огромный зал, через 50 лет уместится не только на рабочем столе, но и в кармане, а его отдельные компоненты будут использоваться в самых разнообразных приборах. Миниатюризация затрагивает все области, так или иначе связанные с электротехникой. Не стали исключением и источники питания.

На фоне успеха компьютерной индустрии получила толчок в развитии новая область исследований – микроэлектромеханические системы, или MEMS. Большая часть проводимых в ней работ касается создания биологических сенсоров для химических процессов, однако этим сфера применения данных технологий не ограничивается.

В современной науке самые интересные результаты получаются на стыке областей, когда для решения одних задач, часто хорошо известных, используются методы, характерные для совершенно иных. Газотурбинным генератором, обеспечивающим электроэнергией целый город, уже давно никого не удивишь. Команда из 20 ученых и студентов Массачусетского технологического института (МТИ) под руководством проф. Алана Эпштейна (Alan Epstein) создала в определенном смысле его аналог – миниатюрный газотурбинный двигатель, который поместила вовнутрь кремниевой микросхемы размером с 25-центовую монету, получив таким образом микрогенератор.

На ладони Алана Эпштейна – газотурбинный микрогенератор

Основной проблемой при реализации данной идеи являлась разработка микродвигателя, состоящего из компрессора, камеры сгорания, вращающейся турбины и т. д. Понятно, что выполнение этих элементов в миллиметровых размерах из металла путем сварки и клепки бесперспективно. Поэтому ученые взяли на вооружение опыт создателей компьютерных чипов, а именно обратились к кремниевым пластинам.

Предложенная ими модель микродвигателя состоит из шести кремниевых пластин. Каждая из них является единым кристаллом с практически идеальной кристаллической решеткой, что обеспечивает очень высокую прочность. После подготовки кремниевых элементов (с применением усовершенствованных процессов травления из каждой из них были удалены отдельные части) разработчики расположили пластины одну над другой, как слои пирога, и, соединив друг с другом, получили нужные элементы двигателя.

В миниатюрной камере сгорания горючее и воздух быстро смешиваются и возгораются при температуре точки плавления металла. Лопасти турбины, выполненные из высокопрочных, низкодефектных материалов, изготовленных путем микрообработки, вращаются с частотой 20 тыс. оборотов в секунду. Для нагнетания воздуха используется микрокомпрессор, а охлаждение (всегда уязвимое место в горячих микроустройствах) обеспечивается путем его циркуляции вокруг камеры сгорания.

Поскольку производство единичного микродвигателя – дорогое удовольствие, ученые обратились к еще одному методу производителей компьютерных чипов. На каждом этапе работ на любой кремниевой пластине вытравливалось от 60 до 100 компонентов, которые затем вырезались стандартным способом.

Один из компонентов микрогенератора

Однако производство предложенных микрогенераторов отнюдь не является беспроблемным. На сегодняшний день отдельные элементы устройства функционируют исключительно в лабораторных условиях. Предсказать же, как поведет себя целый микроприбор, достаточно сложно, работы в этом направлении пока только ведутся, и результат планируется получить к концу нынешнего года. Каждый микродвигатель представляет собой монолитный кристалл кремния, таким образом, в случае ошибки даже на один микрон, тем более для изменения одного компонента прибора, потребуется создание совершенно нового образца.

Согласно информации разработчиков, миниатюрный газотурбинный двигатель имеет мощность 10 Вт и, по предварительным оценкам, может служить более чем в десять раз дольше существующих элементов аналогичной массы. Таким образом, новый источник питания применим для обеспечения автономной работы лэптопов, мобильных телефонов, радиоприемников и других электронных приборов и имеет все шансы стать незаменимым для тех, кто не может часто подключаться к сети. Вероятно, данная разработка будет востребована в армии США, которая частично спонсирует проводимые исследования.

По оценке ученых, в долгосрочной перспективе при массовом выпуске микрогенераторов стоимость электроэнергии, производимой такими устройствами, будет даже ниже, чем на обычных газотурбинных электростанциях.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365