Schalten Sie einen Chip ein

Alan Epstein sagt Ihnen schnell, dass er ein Düsentriebwerk-Typ ist - nur für den Fall, dass Sie es anhand der Turbinentriebwerksteile, die in seinem Büro oder im Museum im Erdgeschoss seines Labors verstreut sind, noch nicht erraten haben, das ein seltenes Beispiel eines deutschen Triebwerks von 1944 enthält, das half das Jet-Zeitalter einzuläuten. Für den Direktor des Gasturbinenlabors des MIT, der leicht gebeugt steht, hat die Faszination mit roher Kraft zu tun. Die Triebwerke einer Boeing 747 schieben die Luft mit Mach 1 mit 120.000 Pfund Kraft durch, sagt Epstein. Die Motoren von drei 747 bringen so viel Leistung wie ein Atomkraftwerk.

Gasturbinen trieben einen Großteil der Technologie des 20. Jahrhunderts an, von Verkehrs- und Militärflugzeugen bis hin zu großen Gaskraftwerken, die zur Stromversorgung der USA beitrugen. Doch heute sind es nicht mehr die massigen Maschinen im Labormuseum, die Epsteins Begeisterung wecken. Stattdessen ist es ein auf die Größe eines Mantelknopfes geschrumpftes Düsentriebwerk, das in der Ecke seines Schreibtisches steht. Es ist eine Liliputaner-Version der Multitonnen-Triebwerke, die den Flugverkehr verändert haben, und er glaubt, dass es der Schlüssel zum Antrieb der Technologie des 21. Jahrhunderts sein könnte.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2004



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Obwohl die Turbinenschaufeln eine Fläche von weniger als einem Cent umfassen, drehen sie sich mit mehr als einer Million Umdrehungen pro Minute und sind so konzipiert, dass sie genug Strom produzieren, um tragbare Elektronik anzutreiben. Epstein rechnet damit, dass seine winzigen Turbinen in absehbarer Zeit als Batterieersatz dienen werden, zunächst für Soldaten, dann für Verbraucher. Aber er hat eine noch ehrgeizigere Vision: dass kleine Cluster der Motoren als Hauskraftwerke dienen könnten und die Verbraucher vom Stromnetz mit seinen gelegentlichen Black- und Brownouts befreien. Die Technologie könnte besonders in armen Ländern und abgelegenen Gebieten nützlich sein, in denen es an umfangreichen und zuverlässigen Stromnetzen mangelt. Ein Vergleich damit, wie das kontinuierliche Schrumpfen der integrierten Schaltung die mikroelektronische Revolution vorangetrieben hat, ist verlockend. So wie PCs die Computerinfrastruktur an die Benutzer verdrängten, könnten Mikromotoren die Energieinfrastruktur der Gesellschaft an die Benutzer weitergeben, sagt Epstein.

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Epsteins unmittelbares Ziel ist es jedoch, diese Miniaturmotoren als kostengünstige und effiziente Alternative zu Batterien für Mobiltelefone, Digitalkameras, PDAs, Laptops und andere tragbare elektronische Geräte zu verwenden. Die Motivation ist einfach: Batterien sind schwer und teuer und müssen häufig aufgeladen werden. Und sie produzieren trotz ihrer Größe und ihres Gewichts nicht viel Strom.

Die Folgen dieser Fehler gehen über die Unannehmlichkeiten für den Verbraucher hinaus. Heutzutage sind Soldaten oft gezwungen, ziegelsteingroße Batterien mit sich herumzuschleppen, um ihre Hightech-Ausrüstung anzutreiben. Und durch kurzlebige Netzteile gelähmt, sind Entwickler von Elektronik der nächsten Generation oft gezwungen, energiehungrige Verbesserungen und Funktionen wie größere, hellere Bildschirme und leistungsstärkere Prozessoren zu vernachlässigen. Nehmen Sie zum Beispiel den ultimativen PDA von Frog Design, einem in Sunnyvale, Kalifornien, ansässigen Unternehmen, das sich auf Industriedesign spezialisiert hat. Das Gerät kombiniert mehrere Handy- und Wi-Fi-Funkprotokolle, GPS-Ortung, eine Projektionsfläche, die Funktionalität eines Laptops und die Möglichkeit, durch Videobibliotheken zu blättern und Filme in voller Länge abzuspielen. Aber es existiert nur als Mock-up; es würde jede Batterie vernünftiger Größe in einer halben Stunde entladen. Mit Funktionen wie GPS-Ortung und Funkkommunikation frisst man sich nur auf, sagt Valerie Casey von Frog Design.

Ein Mikrogasturbinentriebwerk würde all das ändern. Es könnte zehn oder mehr Stunden mit einem Behälter mit Dieselkraftstoff betrieben werden, der etwas größer als eine D-Batterie ist; Wenn die Tankpatrone leer war, konnte problemlos eine neue getauscht werden. Jede Einwegpatrone würde so viel Energie packen wie ein paar schwere Handvoll Lithium-Ionen-Akkus. Infolgedessen könnte eine kleine Packung der billigen und leichten Patronen einen PDA oder ein Mobiltelefon mehrere Tage intensiver Nutzung mit Strom versorgen, ohne dass das Aufladen an der Steckdose erforderlich war – eine äußerst attraktive Funktion für Soldaten an abgelegenen Orten oder Reisende. Zudem nimmt die Miniaturturbine etwa ein Viertel des Volumens eines typischen Handy-Akkus ein.

Nicht, dass ein Mikromotor ohne Nachteile ist. Es würde zum einen einen winzigen Strahl heißen Abgases verschießen, was es eher für Geräte geeignet macht, die an Gürteln befestigt oder in Aktentaschen getragen werden, als für solche, die in Taschen verstaut sind. Der Motor selbst würde heiß werden, obwohl ein Auspuffdämpfer leicht verhindern würde, dass die Geräte viel wärmer werden als heute. Aber für viele energiehungrige Anwendungen, sagt Epstein, würde eine bemerkenswerte Leistung einer winzigen Turbine alle Nachteile bei weitem aufwiegen. Schlägt Epstein vor, Sie brauchen kein sehr gutes Düsentriebwerk, um besser zu sein als Batterien.

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Geerdet
Epstein begann vor fast einem Jahrzehnt darüber nachzudenken, ein Jet-Triebwerk auf einem Chip zu bauen. Damals nahmen mikroelektromechanische Systeme (MEMS) Fahrt auf. Es waren Techniken zum Einritzen neuer Arten von Merkmalen in die Oberflächen von Siliziumplatten entstanden, darunter abgedichtete Kammern und Rohre und bewegliche Teile wie drehende Räder, die meisten der Teile, die für ein Gasturbinentriebwerk benötigt werden. Weniger klar war zunächst, was man mit einem Miniatur-Benzinmotor machen würde. Wir dachten, wir könnten die Kosten deutlich senken, wenn wir einen Grund für den großen Bedarf herausfinden könnten, sagt Epstein. Aber das einzige, was wir mit winzigen Motoren sehen konnten, war das Fliegen winziger Flugzeuge, und das schien dumm. Natürlich hatten wir nicht mit dem DoD gerechnet.

Tatsächlich war das US-Militär plötzlich begeistert von der Idee von 15 Zentimeter langen Flugzeugen, die kleine Kameras zur Überwachung tragen könnten. Die Ingenieure in Epsteins Labor waren etwas weniger begeistert; Sie vermuteten, dass es einige Jahrzehnte dauern würde, Jet-Chips flugtauglich zu machen. Dann griff Epstein zu einem unmittelbareren militärischen Bedarf: Soldaten von den Batterien zu befreien, die viele von ihnen herumschleppen müssen, um Radios, GPS-Empfänger, Nachtsichtgeräte und andere Geräte mit Strom zu versorgen. Und im Gegensatz zu einem Miniatur-Flugzeugmotor hätte ein Jet-Chip, der die Batterie ersetzt, ein enormes kommerzielles Potenzial.

Andere Materialwissenschaftler und -ingenieure arbeiteten bereits an Möglichkeiten, stromerzeugende Maschinen zu verkleinern, um Batterien zu ergänzen oder zu ersetzen, und schufen ein neues Feld namens Power-MEMS. Der beliebteste Ansatz beinhaltete das Schrumpfen von Brennstoffzellen, die typischerweise Wasserstoff durch eine Membran leiten, die Elektronen herauszieht, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Aber Epstein war überzeugt, dass Gasturbinen aufgrund ihrer unübertroffenen Fähigkeit, Kohlenwasserstoff-Brennstoffen Energie zu entziehen, der bessere Weg waren. Die Technologie wird noch attraktiver, wenn es auf die Minimierung von Gewicht und Volumen ankommt, wie bei tragbaren Geräten. Ein Jet-Chip wäre höchstens halb so groß wie eine Mikrobrennstoffzelle gleicher Energiekapazität. Eine Gasturbine sollte auch relativ einfach herzustellen sein, dachte Epstein, weil sie mit Standard-Fertigungstechniken vollständig aus Silizium gebaut werden könnte.

Obwohl sich Epstein vorstellte, dass seine Mikroversion ungefähr genauso funktioniert wie eine konventionelle Gasturbine, war vieles über Mikrostrahltriebwerke ein Rätsel. Würde Silizium bei Temperaturen von 1.300 °C zerbröckeln? Könnten mikroskopische Lager mehr als eine Million Umdrehungen pro Minute bewältigen? Mit Mitteln des US-Militärs nutzte Epstein die Expertise benachbarter MIT-Labors in Strömungsmechanik, Materialwissenschaften, Bautechnik und Mikrofabrikation. Das Projektteam wuchs schließlich auf Dutzende von Forschern an, darunter Mark Spearing, ein Materialingenieur, der damit beauftragt war, Wege zu finden, um die Silizium-Mikrostrukturen unter heftiger Hitze und Druck intakt zu halten. Bei den meisten MEMS-Chips werden kleine Strukturen mit einer Höhe von bis zu 10 Mikrometern geätzt, sagt Spearing. Wir gingen zu Teilen, die Hunderte von Mikrometern groß sind.

Technik übernimmt Jobs

In der Hand
Anfang des Jahres haben Epstein und seine Mitarbeiter den Bau von Motoren abgeschlossen, bei denen jedes einzelne Teil funktioniert: Die Brennkammer verbrennt Kraftstoff und die Turbinenschaufeln drehen sich. Das resultierende Gerät ist rundum abgedichtet, mit Löchern oben und unten für Lufteinlass, Kraftstoffeinlass und Auslass. Ein Manko: Es läuft nicht kontinuierlich. Das Hindernis, sagt Epstein, sind Unvollkommenheiten, die die Klingen aus dem Gleichgewicht bringen und sie zum Wackeln bringen. Wir denken, wir wissen, was zu tun ist, um es zu korrigieren, sagt er. Das Problem ist, dass es drei Monate dauert, um neue Teile zu bekommen, wenn Sie eine Anpassung vornehmen, also warteten Sie nur auf die neuen Teile. Epstein sagt voraus, dass der Chip innerhalb von Monaten funktionieren wird, etwas früher als geplant. Spearing schätzt, dass eine Version, die genug Leistung für den Betrieb von Geräten ausgeben kann, zwei bis drei Jahre länger dauern würde, und ein oder zwei Jahre darüber hinaus, um eine marktfähige Version zu produzieren.

Das bedeutet, den Brennstoffzellen, die bereits auf den Markt kommen, einen frühen Vorsprung im Power-MEMS-Rennen zuzuerkennen. MTI Micro Fuel Cells mit Sitz in Albany, NY, bereitet die Einführung eines Kartenstapels in der Größe eines Kartenstapels für den Einsatz in tragbaren Industriegeräten wie Hochfrequenz-ID-Tag-Lesegeräten vor und plant die Einführung einer etwas kleineren Version für Mobiltelefone, PDAs, und Digitalkameras. Medis Technologies aus New York City beabsichtigt, im nächsten Jahr eine Einweg-Mikrobrennstoffzelle für 20 US-Dollar zu verkaufen.

Unsere Konkurrenz sind Brennstoffzellen, absolut, sagt Epstein. Aber er besteht darauf, dass Turbinenchips jeden verlorenen Boden ausgleichen können. Bislang seien einige Millionen Dollar in Mikroturbinen investiert worden, gegenüber den Milliarden, die in Brennstoffzellen investiert würden, betont er. Epsteins Glaube wird durch die inhärenten Vorteile befeuert, die er in Turbinen sieht. Sogar Mikrobrennstoffzellen sind größer und viel wählerischer beim Brennstoff als ein Turbinentriebwerk. Aber am Ende kommt es auf die Macht an. Die meisten Mikrobrennstoffzellen haben Mühe, ein oder zwei Watt auszugeben, während Epsteins Prototypen 15 bis 20 Watt liefern könnten, mehr als genug, um ein stromhungriges Handheld-Gerät am Laufen zu halten. Laptops können 50 Watt benötigen, aber ein paar Turbinen, die zusammenarbeiten, könnten leicht so viel Leistung herauspumpen. Ebenso stellt sich Epstein vor, dass eine Ansammlung winziger Motoren mit einer Leistung von jeweils bis zu 100 Watt ein Haus mit einer effizienten und zuverlässigen Stromquelle versorgen könnte.

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Diese Umstellung wird sicherlich Zeit in Anspruch nehmen. Aber Epstein sieht darin die natürliche Erweiterung der bemerkenswerten Fortschritte, die Düsentriebwerke in der zweiten Hälfte des 20. Und obwohl Epstein prognostiziert, dass seine winzigen, auf Chips basierenden Turbinen aus Sicht der Ingenieure zunächst eher wie die bahnbrechenden Jets der 1940er Jahre funktionieren werden als wie die heutigen supereffizienten Gasturbinen, ist er voll und ganz überzeugt von dem enormen Entwicklungspotenzial der Technologie. Tatsächlich sind die alternden Motoren in seinem Labormuseum eine allgegenwärtige Erinnerung an die beeindruckende Leistung der Gasturbinen.

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