Accendi un chip

Alan Epstein è pronto a dirti che è un tipo da motori a reazione, nel caso non avessi indovinato tanto dalle parti del motore a turbina sparse nel suo ufficio o dal museo al piano terra dei suoi laboratori, che include un raro esempio di motore tedesco del 1944 che contribuito a dare il via all'era del jet. Per il direttore del Gas Turbine Laboratory del MIT, che è alto un metro e ottanta, il fascino ha a che fare con la pura potenza. I motori di un Boeing 747 spingono l'aria a Mach 1 con 120.000 libbre di forza, afferma Epstein. I motori di tre 747 erogano la stessa potenza di una centrale nucleare.

Le turbine a gas hanno alimentato gran parte della tecnologia del 20 ° secolo, dagli aerei commerciali e militari ai grandi impianti a gas che hanno contribuito a fornire elettricità negli Stati Uniti. Ma in questi giorni non sono le macchine massicce nel museo dei laboratori che catturano l'entusiasmo di Epstein. Invece è un motore a reazione ridotto a circa le dimensioni di un bottone di un cappotto che si trova all'angolo della sua scrivania. È una versione lillipuziana dei motori a reazione multiton che hanno cambiato i viaggi aerei e, secondo lui, potrebbe essere la chiave per alimentare la tecnologia del 21° secolo.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2004

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Sebbene le pale delle turbine si estendano su un'area più piccola di un centesimo, girano a più di un milione di giri al minuto e sono progettate per produrre abbastanza elettricità per alimentare l'elettronica portatile. Nel prossimo futuro, prevede Epstein, le sue minuscole turbine serviranno come sostituzione della batteria, prima per i soldati e poi per i consumatori. Ma ha una visione ancora più ambiziosa: che piccoli gruppi di motori potrebbero fungere da centrali elettriche domestiche, liberando i consumatori dalla rete elettrica, con i suoi occasionali blackout e interruzioni. La tecnologia potrebbe essere particolarmente utile nei paesi poveri e nelle aree remote che mancano di reti estese e affidabili per la distribuzione dell'elettricità. Un confronto con il modo in cui il continuo restringimento del circuito integrato ha guidato la rivoluzione microelettronica è allettante. Proprio come i PC hanno spinto l'infrastruttura informatica verso gli utenti, i micromotori potrebbero spingere l'infrastruttura energetica della società verso gli utenti, afferma Epstein.

L'obiettivo immediato di Epstein, tuttavia, è utilizzare questi motori in miniatura come un'alternativa economica ed efficiente alle batterie per telefoni cellulari, fotocamere digitali, PDA, computer portatili e altri dispositivi elettronici portatili. La motivazione è semplice: le batterie sono pesanti e costose e richiedono frequenti ricariche. E non producono molta elettricità, nonostante tutte le loro dimensioni e il loro peso.

Le conseguenze di questi fallimenti vanno al di là dei disagi per i consumatori. I soldati di oggi sono spesso costretti a trascinarsi dietro batterie delle dimensioni di un mattone per alimentare la loro attrezzatura ad alta tecnologia. E ostacolati da alimentatori di breve durata, i progettisti di elettronica di nuova generazione sono spesso costretti a tralasciare miglioramenti e funzionalità affamati di energia come schermi più grandi e luminosi e processori più potenti. Prendiamo, ad esempio, l'ultimo PDA di Frog Design, un'azienda con sede a Sunnyvale, California, specializzata in design industriale. Il dispositivo combina più telefoni cellulari e protocolli radio Wi-Fi, posizione GPS, uno schermo di proiezione, la funzionalità di un laptop e la possibilità di sfogliare librerie video e riprodurre film completi. Ma esiste solo come mock-up; scaricherà qualsiasi batteria di dimensioni ragionevoli in mezz'ora. Con funzioni come la posizione GPS e le comunicazioni radio, stai solo mangiando le batterie, afferma Valerie Casey di Frog Design.

Un micromotore a turbina a gas cambierebbe tutto questo. Potrebbe funzionare per dieci o più ore con un contenitore di gasolio leggermente più grande di una batteria D; quando la cartuccia del carburante si esauriva, una nuova poteva essere facilmente sostituita. Ogni cartuccia usa e getta avrebbe la stessa energia di poche manciate pesanti di batterie agli ioni di litio. Di conseguenza, un piccolo pacchetto di cartucce economiche e leggere potrebbe alimentare un PDA o un telefono cellulare per diversi giorni di utilizzo intenso, senza che sia necessaria la ricarica della presa a muro, una caratteristica molto interessante per i soldati in località remote o per i viaggiatori. Inoltre, la turbina in miniatura occupa circa un quarto del volume di una tipica batteria di un telefono cellulare.

Non che un micromotore sia privo di inconvenienti. Avrebbe sparato un minuscolo flusso di gas di scarico caldo, per prima cosa, rendendolo più adatto per dispositivi agganciati alla cintura o portati in valigette che per quelli infilati nelle tasche. Il motore stesso si surriscalda, anche se un soppressore di scarico impedirebbe facilmente ai dispositivi di riscaldarsi molto di più di quanto non facciano oggi. Ma per molte applicazioni affamate di energia, dice Epstein, una piccola potenza di una piccola turbina supererebbe di gran lunga qualsiasi svantaggio. Suggerisce Epstein, non hai bisogno di un motore a reazione molto buono per fare meglio delle batterie.

A terra
Epstein ha iniziato a pensare di costruire un motore a reazione su un chip quasi dieci anni fa. A quel tempo, i sistemi microelettromeccanici (MEMS) stavano prendendo velocità. Erano emerse tecniche per intagliare nuovi tipi di caratteristiche nelle superfici di lastre di silicio, comprese camere e tubi sigillati e parti mobili come ruote girevoli, la maggior parte delle parti necessarie per un motore a turbina a gas. All'inizio era meno chiaro cosa si sarebbe fatto con un motore a benzina in miniatura. Abbiamo pensato che saremmo stati in grado di ridurre i costi se potessimo trovare un motivo per averne bisogno, afferma Epstein. Ma l'unica cosa che riuscivamo a fare con piccoli motori era far volare piccoli aeroplani, e sembrava stupido. Ovviamente non avevamo contato sul Dipartimento della Difesa.

Abbastanza sicuro, l'esercito americano è stato improvvisamente entusiasta dell'idea di aerei lunghi 15 centimetri che potrebbero trasportare piccole telecamere per la sorveglianza. Gli ingegneri del laboratorio di Epstein erano un po' meno entusiasti; sospettavano che per ottenere getti d'aria idonei al volo ci sarebbero voluti un paio di decenni. Poi Epstein si è aggrappato a un'esigenza militare più immediata: liberare i soldati dalle batterie che molti di loro devono portarsi dietro per alimentare radio, ricevitori GPS, visori notturni e altri gadget. E a differenza di un motore aeronautico in miniatura, un chip per jet che sostituisce la batteria avrebbe un enorme potenziale commerciale.

Altri scienziati e ingegneri dei materiali stavano già iniziando a lavorare su modi per ridurre le macchine che producono energia per integrare o sostituire le batterie, creando un nuovo campo chiamato power MEMS. L'approccio più popolare prevedeva il restringimento delle celle a combustibile, che in genere fanno passare l'idrogeno attraverso una membrana che estrae gli elettroni per creare una corrente elettrica. Ma Epstein era convinto che le turbine a gas fossero la soluzione migliore, grazie alla loro capacità senza pari di estrarre energia dagli idrocarburi. La tecnologia diventa ancora più interessante laddove ridurre al minimo peso e volume è fondamentale, come con i dispositivi portatili. Un chip a getto sarebbe al massimo la metà di una micro cella a combustibile di pari capacità energetica. Una turbina a gas dovrebbe anche essere relativamente facile da fabbricare, pensò Epstein, perché potrebbe essere costruita interamente in silicio, usando tecniche di fabbricazione standard.

Sebbene Epstein avesse immaginato che la sua versione micro funzionasse più o meno allo stesso modo di una turbina a gas convenzionale, gran parte dei motori dei microreattori era un mistero. Il silicio crollerebbe a temperature di 1.300 °C? I cuscinetti microscopici potrebbero gestire più di un milione di giri al minuto? Con i finanziamenti dell'esercito degli Stati Uniti, Epstein ha attinto alle competenze dei vicini laboratori del MIT in meccanica dei fluidi, scienza dei materiali, ingegneria strutturale e microfabbricazione. Il team del progetto alla fine si è arricchito di dozzine di ricercatori, tra cui Mark Spearing, un ingegnere dei materiali incaricato di trovare modi per mantenere intatte le microstrutture di silicio sotto il calore e la pressione furiosi. La maggior parte dei chip MEMS prevede l'incisione di piccole strutture alte fino a 10 micron, afferma Spearing. Stavamo andando a parti alte centinaia di micron.

In mano
All'inizio di quest'anno, Epstein e i suoi collaboratori hanno finito di realizzare motori in cui ciascuna delle singole parti funziona: la camera di combustione brucia carburante e le pale della turbina girano. Il dispositivo risultante è sigillato tutt'intorno, con fori sulla parte superiore e inferiore per l'aspirazione dell'aria, l'aspirazione del carburante e lo scarico. Un difetto: non funziona continuamente. L'ostacolo, dice Epstein, sono le imperfezioni che sbilanciano le lame e le fanno oscillare. Pensiamo di sapere cosa fare per correggerlo, dice. Il problema è che ci vogliono tre mesi per ottenere nuove parti quando si effettua una regolazione, quindi stavamo solo aspettando le nuove parti. Epstein prevede che il chip funzionerà entro pochi mesi, un po' prima del previsto. Spearing stima che una versione in grado di erogare energia sufficiente per far funzionare i dispositivi impiegherebbe dai due ai tre anni in più, con un altro anno o due oltre per produrre una versione commerciabile.

Ciò significa concedere un vantaggio iniziale nella corsa dei MEMS energetici alle celle a combustibile, che stanno già arrivando sul mercato. MTI Micro Fuel Cells, con sede ad Albany, NY, si sta preparando a lanciare una delle dimensioni di un mazzo di carte da utilizzare in dispositivi industriali portatili come lettori di tag ID a radiofrequenza e ha in programma di lanciare una versione leggermente più piccola per telefoni cellulari, PDA, e fotocamere digitali. La Medis Technologies di New York City intende vendere l'anno prossimo una micro cella a combustibile usa e getta da 20 dollari.

La nostra concorrenza sono le celle a combustibile, assolutamente, dice Epstein. Ma insiste sul fatto che i chip delle turbine possono recuperare il terreno perduto. Finora sono stati investiti pochi milioni di dollari nelle microturbine, rispetto ai miliardi investiti nelle celle a combustibile, sottolinea. La fede di Epstein è alimentata dai vantaggi intrinseci che vede nelle turbine. Anche le microcelle a combustibile sono più grandi e sono molto più esigenti riguardo al carburante rispetto a un motore a turbina. Ma alla fine, tutto si riduce al potere. La maggior parte delle microcelle a combustibile fatica a produrre uno o due watt, mentre i prototipi Epstein potrebbero fornire da 15 a 20 watt, più che sufficienti per far funzionare un dispositivo portatile assetato di energia. I computer portatili possono richiedere 50 watt, ma alcune turbine che lavorano insieme potrebbero facilmente pompare così tanta potenza. Allo stesso modo, Epstein prevede che un gruppo di minuscoli motori, ciascuno in grado di produrre fino a cento watt, potrebbe fornire a una casa una fonte di elettricità efficiente e affidabile.

Questo passaggio richiederà sicuramente tempo. Ma Epstein lo vede come la naturale estensione dei notevoli progressi che i motori a reazione hanno compiuto nella seconda metà del XX secolo, dai nuovi aerei da combattimento apparsi nella seconda guerra mondiale ai giganteschi motori che alimentano i jumbo jet di oggi. E sebbene Epstein preveda che, dal punto di vista degli ingegneri, le sue minuscole turbine basate su chip inizialmente funzioneranno più come i jet pionieristici degli anni '40 che come le attuali turbine a gas superefficienti, è pienamente fiducioso nel vasto potenziale di evoluzione della tecnologia. In effetti, i motori obsoleti nel museo dei suoi laboratori sono un ricordo sempre presente della straordinaria potenza delle turbine a gas.

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