Techblog - Technologie

Bezdrátové nabíjení akumulátorů

Představte si, že k vašemu notebooku na stole nevedou žádné dráty, a přesto můžete pracovat libovolně dlouho. Co je to nabíjení mobilu? Na to už jste dávno zapomněli. Taková je vize pohánění elektroniky budoucnosti. Toužíme po tom všichni. Jak toho dosáhnout? Způsoby bezdrátového přenosu elektrické energie jsou známé, ale ne vždy vhodné pro tento účel.

Bezdrátové nabíjení s problémy

Technologie bezdrátového přenosu energie jsou známy již velmi dlouho. Jsou to zejména přenos elektromagnetickou indukcí nebo elektromagnetickými vlnami. Nesou s sebou však problémy. Pokud mají pracovat na velkou vzdálenost, stávají se výrazně méně efektivní a zároveň jejich okolí není zrovna příznivé k dlouhodobému pobytu živých organizmů. Nový způsob využívající tlumených elektromagnetických vln zatím nebyl prakticky otestován.

Elektromagnetická indukce

Elektromagnetická indukce je zcela nejběžnější způsob bezdrátového přenosu, ale i přeměny elektrické energie vůbec. Používá se ve velké elektroenergetice – od generátoru v elektrárně přes transformátory až po nabíječky na mobil. Několik zařízení pro bezdrátové nabíjení indukci také využívá, ovšem ne zrovna efektivně. Telefon, PDA nebo cokoliv chceme nabíjet se přiloží k desce a nabíjí se. nepotřebujeme konektor a drát, ale elektronika řídící nabíjení je složitější, přenos indukcí neefektivní. Jedná se v podstatě o transformátor bez železného jádra. A v tom je problém – jádro běžného transformátoru v sobě uzavírá magnetický tok, a tak výrazně snižuje ztráty. Má-li být zařízení odnímatelné, toto možné není, a účinnost tedy klesá.

Schematický nákres cívky vytvářející ve svém okolí magnetické pole

Zásadním problémem je, že indukci nelze použít pro přenos na větší vzdálenosti. Ne že by tomu bránily nějaké fyzikální principy, ale pro člověka není dobré se dlouhodobě pohybovat v intenzivním elektromagnetickém poli. Některé lékařské studie zjistily, že lidé bydlící v okolí do půl kilometru od vedení velmi vysokého napětí jsou vystaveni několikanásobně vyššímu riziku vzniku leukémie než lidé bydlící dále. I když byl výzkum různě zpochybňován, minimálně z psychologického hlediska tento způsob není k dálkovému nabíjení vhodný. Proměnné elektrické pole by také indukovalo proud v každé smyčce z vodivého materiálu, čímž by znemožnilo funkci jakéhokoliv dalšího zařízení v dosahu bezdrátové nabíječky. Evidentně tudy cesta nevede.

Elektromagnetické vlny

Laserem je možné přenášet velké množství energie

Opět běžně používaný způsob přenosu energie. Nejběžnější laser a mikrovlny vidíme všude kolem sebe. Laser tvoří elektromagnetické vlny nízké vlnové délce obvykle z oblasti viditelného světla. Vzhledem k principu fungování laseru se energie přenáší ve velmi úzkém paprsku. To je na jednu stranu dobře, ale na druhou to vyžaduje přímou viditelnost mezi zdrojem a příjemcem, což je pro předpokládané použití zcela nevhodné. Navíc transformace elektrické energie na laserové světlo a zpět je velice neefektivní. Kolečko elektřina – laser – elektřina má účinnost 1 až 5 %. Nic moc. Tudy také ne.

O něco slibněji se jeví mikrovlny. Tytéž mikrovlny, které v troubě ohřejí cokoliv od pizzy po mokrou kočku. Lze je snadno a efektivně generovat a dokonce s pomocí rektifikační antény zachycovat a přímo měnit na elektřinu s účinností až 90 %. Avšak jak už případ s kočkou, která se v mikrovlnce upekla, místo aby se usušila, ukázal, lidem by mikrovlnné záření neprospívalo.

Takže jak tedy můžeme přenášet efektivně a bezpečně elektrickou energii bez drátů?

Přenos tlumenými vlnami

Výsledek numerického modelování přenosu energie tlumenými vlnami

Energii lze přenášet také tlumenými elektromagnetickými vlnami. Vědci nedávno přišli na to, jak využít nezářivého elektromagnetického pole, které tvoří tlumené elektromagnetické vlny. Vytvářené pole by mělo být netečné ke všemu ve svém okolí kromě speciálních přijímačů z dielektrika (nevodivého materiálu), které s vytvářeným polem rezonují, vytvářejí běžné elektromagnetické vlny, které se poté opět rektifikují, a tak přímo mění na elektrické napětí. Bohužel tomuto jevu nijak nerozumím, takže lepší vysvětlení podat nedokáži. Zajímají-li vás tlumené vlny více, můžete si přečíst články na Wikipedii Evanescent wave coupling a příslušnou část článků Wireless energy transfer.

Tento perspektivní způsob přenosu by měl být schopný vysílat energii až do vzdálenosti pěti metrů bez sebemenších problémů. Všechno, co bylo zjištěno, bylo pouze vypočítáno. Experimenty ověřující praktické výkony a chování v běžných podmínkách ještě neproběhly.

Svět bez drátů

Ač žádné z uvedených technologií zatím nemá praktické využití, vývoj a zejména poptávka uživatelů nutí firmy se bezdrátovými přenosy energie, ale i dat intenzivně zabývat. V budoucnu bude běžné, že v místnostech bude univerzální dálkový zdroj energie pro všechna zařízení s malou spotřebou, a dojde tak k pročištění "zadrátovaných" domácností a firem. V blízké budoucnosti se bude jednat zejména o věci, u nichž je nabíjení skutečně otravné – mobily, notebooky, PDA. To jsou zařízení, u kterých bychom byli nejraději, kdyby fungovaly samy o sobě bez toho, aniž bychom se o cokoliv museli starat. Rozšíření pro další použití závisí na efektivitě bezdrátového přenosu elektrické energie.

Budeme někdy moci nabíjet PDA bez drátů?

Doprava ve městech by se obešla bez trolejového vedení a místo toho by pouze byly zářiče pod povrchem. Při opravdu velkém dosahu by i letadla mohla být poháněna vzdáleným zdrojem energie a co teprve kosmické lodě? To už začíná být zajímavé. Cena dopravy nákladu na oběžnou dráhu by tak mohla být mnohem jednodušší i levnější. To už jsme od nabíjení mobilů hodně vzdáleni. Každopádně považuji vyřešení efektivního přenosu energie bez drátů na větší vzdálenosti za věc, kterou firmy i vědci řešit chtějí, a tudíž ji i brzy vyřeší.

Další zdroje informací

• Wireless energy could power consumer, industrial electronics – tisková zpráva MIT
• Gadget recharging goes wireless – článek na PhysicsWeb.org
• Wireless energy could power consumer, industrial electronics – článek na Physorg.com
• Wireless Non-Radiative Energy Transfer – vědecká zpráva popisující výpočtové zkoumání dálkového přenosu energie pomocí tlumených vln

Proč letečtí konstruktéři neradi létají?

Přece proto, že ví, jak je letadlo postavené. Jsem teprve na začátku studia konstrukce letadel, ale již jsem se dozvěděl několik zajímavostí, o které se chci s vámi podělit. Překvapilo by vás na letadle zvlněné křídlo? Je létání opravdu bezpečné?

Bezpečnost letecké dopravy

Křídlo přistávajícího Boeingu 747 je v podstatě samá díra

Moderní letadla jsou navrhována tak, že když v nich sedíte, máte statisticky stejnou nebo menší pravděpodobnost že zemřete, jako když jdete po ulici či děláte cokoliv běžného. To by vás mohlo uklidnit. Znepokojující může být, že data používaná pro výpočty statistické mechaniky nemusí být vždy zcela směrodatná, protože existuje spousta vlivů, které se do výpočtů zahrnout nepodaří.

Mohutně předimenzovaný Fokker Dr. I byl za první světové války proslulý velkou stoupavostí, obratností, ale nízkou rychlostí

Na začátku letectví byla výpočetní bezpečnost letounu (Tedy zjednodušeně to, že vám vyjde, že konstrukce bude zatěžována nějak a vy toto číslo vynásobíte koeficientem bezpečnosti a dále s ním počítáte.) rovna 5. Nyní je osvědčeným standardem 1,5. Je to dost. Kdysi (dávno) se zatížení letounu považovalo za statické, dnes tam zahrnujeme všechno možné. Životnost letounů se stále prodlužuje. Využívá se toho, že v konstrukci se může šířit trhlina, ale jen určitou rychlostí, aby se při příští prohlídce daný díl stačil vyměnit.

Zvlněné křídlo? Žádný problém!

Traduje se, že by ve skutečnosti průhyby křídel letounů mohly být mnohem větší, ale kvůli toho, že by to dráždilo cestující, se to nepraktikuje. To se mi nepodařilo ověřit. Zajímavé je, že za určitých okolností se může počítat i s tím, že se potah křídla zvlní a vrátí se zpět. Jestli tedy uvidíte z okénka, že plech na křídle je trochu zvlněný, i když předtím nebyl, tak se nelekejte. Je to v pořádku.

Letou DH Comet 1 byl prvním dopravním tryskovým letadlem, které bouhžel nechvalně proslulo sérií nehod způsobechných hranatými okénky

Okénka jsou případem samy pro sebe. Že by se letadla mnohem lépe navrhovala bez nich, se ví už od té doby, co letouny Comet (první proudové dopravní letouny) začaly hromadně padat do moře, kvůli toho, že se jim od trhliny nastartované na obdélníkových okénkách rozpadnul trup. Okénka se začala dělat kulatá, ale i tak dělají nepořádek. No a dveře? O těch je škoda mluvit. S nimi je to ještě horší. Kdyby nebyli pasažéři, letadla by se navrhovala mnohem jednodušeji.

Boj pevnostníků s aerodynamiky

Další věcí, která mě zaujala, je profesní napětí mezi mezi těmi, kteří se zabývají pevnostními výpočty letounů a těmi, co řeší aerodynamiku. Když chcete mít aerodynamicky čisté letadlo, těžko se konstruuje. Jednoduché konstrukční řešení zase znamená špatnou aerodynamiku. Co teď. Na okraj těchto sporů jsou odsunuti technologové, kteří si pohledem dříve uvedených představují optimální letadlo jako tři prkénka stlučená dvěmi hřebíky. Ale když nakonec přijdou a řeknou, že to nejde vyrobit, musí se všichni vrátit ke svým "prknům".

Žádné velké počítání

Počítačové modelování vzniku rázových vln v okolí hypersonického letounu
Credit: NASA

Zatímco pevnostníci si počítají o sto šest a svým výpočtům celkem věří, aerodynamici taky pořád počítají, ale nevěří tomu. V aerodynamice lze téměř všechno nějak spočítat, ale je to hrozně složité a dává to nic-moc výsledky (Hlavně těm, kteří nemají dost zkušeností.). Takže se mnoho a mnoho věcí řeší raději experimentálně. Proč týden zatěžovat výpočetní cluster (údajně polovina výpočetního výkonu fakulty) jednoduchým modelem obtékání letounu, když se výsledek bude lišit třeba o 20 %, v některých hodnotách i o 50 % od skutečnosti?

Letecká doprava je bezpečná

Nemusíte mít obavy. To co zde nastiňuji je sice pravda, ale vykládaná populárně. Letecká doprava je skutečně bezpečná a naprostá většina nehod současnosti je způsobena lidskou chybou – obvykle nedbalostí. Já osobně létám rád.

Kondenzátory z nanotrubek nahradí akumulátory

Akumulátory stále tvoří úzké hrdlo využití drobné elektroniky. Jejich dlouhé nabíjení, nízká kapacita, malá proudová zatížitelnost a životnost jsou omezujícími faktory pro návrh špičkových zařízení. Všechny problémy vyřeší kondenzátory z nanotrubek s vysokou kapacitou.

"Ultrakondenzátory" z nanotrubek

"Les" nanotrubek - podobný tvoří elektrody superkondezátorů
Credit: NanoLab

Ultrakondenzátory nebo superkondenzátory (je to totéž) nejsou nová věc. Už v roce 1957 si General Electric nechal patentovat kondenzátor s porézní uhlíkovou elektrodou. Na tomto principu jsou vysokokapacitní kondenzátory založeny dodnes a používají se v mnoha aplikacích včetně hybridních automobilů. Jejich nevýhodou je desetkrát až dvacetkrát menší kapacita v poměru k hmotnosti (3 až 5 Wh/kg) a vyšší cena. Jinak převažují výhody – rychlé nabití a vysoké vybíjecí proudy, trvanlivost mnoho tisíc cyklů, nízká toxicita a účinnost vyšší než 95 %. Uhlíkovou elektrodu tvoří grafitový aerogel (extrémně porézní pěna) podobný nanopěně. Nyní vědci vytvořili elektrody z pole nanotrubek, které nabízí ještě větší plochu k uložení elektronů v kondenzátoru, a tak zvyšují jeho měrnou kapacitu na úroveň běžných akumulátorů.

Možné problémy nanotrubkových elektrod

Elektrické pole mezi elektrodami v nejjednodušším deskovém kondenzátoru je krásně jednoduché a siločáry pole jsou převážně přímé, svitkové kondenzátory nejsou o mnoho složitější, takže jejich kapacitu a přípustné maximální napětí můžeme snadno dopředu navrhnout a vypočítat. S nanotrubkami je to složitější. Elektrody s "lesem" miliónů nanotrubek by se přesně modelovaly jen obtížně, a tak parametry superkondenzátorů zjišťujeme spíše experimentálně. S tím souvisí také to, že k dosažení vysoké kapacity kondenzátoru při malém objemu, potřebujeme velmi malou mezeru mezi elektrodami, důsledkem čehož je nutné snížit přípustné napětí na kondenzátoru. Uvádí se nejvýše 2,5 V. V praxi bude nutné řadit mnoho superkondenzátorů za sebe k dosažení použitelných hodnot napětí. Zvýšení kapacity pomocí vhodného dielektrika (vhodná nevodivá látka) nejspíše nepřipadá v úvahu, protože by se nám v něm nepodařilo nanotrubky "vypěstovat" a pozdější zalití elektrod by vzhledem k možnosti poškození nanotrubek a velmi malé vzdálenosti mezi elektrodami nebylo realizovatelné.

Kondenzátory nahradí akumulátory

Superkondenzátory jsou ideální náhradou za akumulátory. Až se budou vyrábět levně s dostatečnou kapacitou a nízkou hmotností, nebudou mít v podstatě nevýhody. Vysoká účinnost, kapacita, nabíjecí rychlosti a vybíjecí proudy, vysoká odolnost, téměř neomezená životnost a nízké ztráty jsou přesvědčivé argumenty v jejich prospěch. Vede mě to k přesvědčení, že osobní elektronika budoucnosti bude obsahovat napevno zabudovaný kondenzátor s dostatečnou kapacitou, jež se nabije za několik minut. Ti, kteří budou chtít být dlouhodobě nezávislý na externím zdroji elektrické energie, tady budou malé spalovací motory, ale všichni ostatní se zbaví akumulátorů a nahradí je kondenzátory. Nic tomu již v cestě nestojí.

Kovové sklo odhaluje svá tajemství

Kovové sklo je dosud nejméně probádaným druhem materiálu. Jeho vlastnosti jsou natolik odlišné od krystalických kovů, že zůstává nejasné, co přesně je způsobuje. Nyní se vědcům podařilo proniknout hlouběji do struktury kovového skla.

Zcela rozdílná struktura

Kov ve skelném stavu je něco zcela odlišného od běžných krystalických kovů. Obvykle jsou atomy v kovech uspořádány do pravidelné mřížky, jejíž druh ovlivňuje výsledné mechanické vlastnosti. Kovové sklo žádnou mřížku nemá. Roztavený kov je ochlazen takovou rychlostí, že se jeho atomy nestihnou přeskupit do krystalické mřížky, ale zůstanou v podstatě tam, kde jsou. Mohli bychom o amorfním kovovém skle uvažovat jako o velmi husté podchlazené kapaliny a do nedávna jsme to i dělali. Zjistilo se však, že ve všech amorfních materiálech existuje pravidelnost uspořádání atomů na krátkou vzdálenost – několik atomových poloměrů. Takže nyní říkáme, že krystalické látky jsou uspořádané na velkou vzdálenost a amorfní na malou. Vědci se nyní zaměřili na neprobádanou uspořádanost amorfních kovů.

Uspořádání kovového skla

Vědci na několika univerzitách zkoumali vlastnosti vzorků z kovového skla metodou difrakce (rozptylu) paprsků rentgenového záření a absorbce rentgenového záření. Numerickými metodami analyzovali poměry při rychlém ochlazování. Zjistili, že atomy se uspořádavají do shluků po sedmi až patnácti atomech okolo centrálního atomu a vytvářejí tvar nazývaný Kasperův mnohostěn. Mnohostěny jsou navzájem spojeny jinými shluky atomů. Také se podařilo zjistit, že při deformaci vznikají v materiálu prostory s nižší hustotou atomů, což je důležité pro pochopení mechanizmu plastické deformace.

Obtíže výroby

Teprve v roce 2004 se podařilo vyrobit kovové sklo v rozměru několika centimetrů – tedy použitelné pro výrobu větších konstrukcí. Obtíže spočívájí v nutnosti rychlého ochlazení materiálu, aby nedošklo ke krystalizaci. Vědci to řeší vhodnými přísadami k základnímu kovu, kterým bývá často železo nebo hliník. Nutnou ochlazovací rychlost snižuje yttrium, kterého je ve slitině s železem 44 %, kromě toho jsou přítomny malá množství bŕo, uhlíku, chromu, kobaltu, molybdenu a manganu. Jiným způsobem umožnění výroby kovového skla je výroba malých kapiček taveniny, které jsme schopni ochladit dostatečně rychle (v závislosti na materiálu to mohou být až milióny °C za sekundu). Kapičky skla poté spečeme dohromady. Nemám informace o tom, že by se tato technologie používala pro jiné sklo než z oxidu hlinitého.

Rozdílné vlastnosti

Atomová struktura kovového skla; červěně označeny oblasti s nižší hustotou atomů po deformaci
Credit: Johns Hopkins University

Vlastnosti kovového skla jsou velmi odlišné od běžných kovů. Je například asi třikrát pevnější, ani železné sklo není magnetické, někdy dokonale průhledné, obvykle však není, ale velmi zvláštní jsou jeho deformační vlastnosti. Pro ukázku se uvádí, že kulička kovového skla dokáže po pevném povrchu "hopsat" nejméně třikrát déle než z jakýchkoliv jiných materiálů. To ukazuje na to, že elastické deformace se odehrávají téměř bez energetických ztrát. Mechanizmy deformace jsou zatím nepoznané. Nejedná se o krystalickou látku, a tak teorie běžně užívaná teorie dislokací zde nemá smysl. O plastické deformaci se mi nepodařilo nic zjistit kromě toho, že materiál je křehký a při ohřevu se stává stejně snadno tvárným jako běžné křemičité sklo. Z dostupných zdrojů jsem se také nedověděl, zda je kovové sklo elektricky vodivé; pokud ano, tak jistě výrazně méně než krystalické kovy.

Materiál budoucnosti

Kovová skla se v dohledné budoucnosti dostanou do centra pozornosti materiálových inženýrů. Nabízí se jejich pohádková využití zejména v konstrukcích pro letecký a kosmický průmysl. Amorfní slitina hliníku je dvakrát pevnější než vysokopevnostní titanová slitina. Spolu s tím, že za tepla ji lze snadno tvářet a pravděpodobně také svařovat, je to ideální letecký konstrukční materiál. Navíc jeho chování při ohřevu za letu je snadno předvidatelné, protože nedochází k fázové přeměně (změna krystalické mřížky). Nepodařilo se mi zjistit závislost mechanických vlastností na teplotě, ale předpokládám, že kovové sklo bude také velmi vhodné pro vysoce tepelně namáhané lopatky proudových motorů. Třeba nakonec bude 21. století stoletím kovového skla místo nanotechnologií. Prvních použití se dočkala již dnes např. na MP3 přehrávači jako ochrana proti poškrábání.

Další informace

• Glassy Steel – Článek o výrobě skelné oceli "ve velkém"
• Amorphous Aluminum Alloys—Synthesis and Stability (březen 2002) – Amorfní slitiny hliníku – syntéza a stabilita – studie na toto téma
• Liquidmetal Technologies – web výrobce hliníkové amorfní slitiny

Malé spalovací motory místo akumulátorů

Malé spalovací motory dokáží dodat více energie než jakékoliv současné akumulátory. Místo dobíjení baterií budeme dolévat benzín. Zůstává výzkum mikromotorů utajen z důvodu strategického vojenského významu?

Větší výkon při stejné hmotnosti

Malé spalovací motory jsou schopny podat při stejné hmotnosti jako dnešní nejlepší akumulátory desetkrát větší výkon. Neopomenutelnou výhodo také je, že "dobití" probíhá pouhým dolitím paliva, takže nemusí dojít k přerušení chodu zařízení a to může i v polních podmínkách pracovat nepřetržitě. Výkon mini a mikro-motorů je závislý především na jejich typu. Obecným předpokladem je, že 1 cm³ vnějšího objemu motoru by měl produkovat výkon v rozmezí 10 až 100 W. Ovšem jakékoliv spalování v malých objemech je problémové. Jednak existuje určitý minimální rozměr (průměr plamene), pod kterým není schopen hořet. Pro běžné podmínky a palivo z uhlovodíků (benzín, nafta, petrolej, atd.) je to kolem dvou milimetrů. Také odvod tepla je při malých rozměrech pístů mnohem větší, a tak znesnadňuje či dokonce znemožňuje hoření. Oba nepříznivé jevy souvisí s poměrem plochy a objemu spalovacího prostoru, který je při malých rozměrech velký (plocha roste s druhou mocninou a objem se třetí). Protože teplo "vzniká" z objemu paliva a vzduchu, odvádí jej plocha válce, a tak čím je válec menší, tím jsou tepelné poměry horší. Ale my chceme vyrábět motory menší než jeden milimetr. Jak na to?

Nejdříve by nás asi napadlo nějak snížit onen kritický rozměr plamene. To je možné pomocí katalyzátorů usnadňujících hoření nebo volbou jiného paliva. Nese to s sebou problémy, jelikož katalyzátor prodražuje provoz a mohl by poškozovat jemný mechanizmus mikromotoru. Další možností je dobrá tepelná izolace motoru. Zde narážíme na materiálová omezení. Křemík, jeho oxid a další používané keramické materiály snesou teploty vyšší než 1000 °C, což je více než u oceli a hliníku používaných v běžných spalovacích motorech, ale nejsou dostatečné pro to, aby se motor nezničil při odvodu tepla pouze prostřednictvím spalin (žádné nebo malé chlazení). Zbývá vykašlat se na klasické hoření zapálené jiskřivou svíčkou a zkusit něco jiného – podobného ději v dieselovém motoru.

K zapálení a výbuchu dojde velkým stlačením extrémně chudé směsi (hodně vzduchu – málo paliva). K zažehnutí dojde na mnoha místech zároveň a výbuch, spíše než hoření, proběhne velmi rychle. Výhodou je, že takto jsme schopni spálit v podstatě jakékoliv palivo bez podstatné změny v konstrukci motoru.

Pístový mikromotor

Drážkovaný válec a píst mikromotoru
Credit: Birmingham University

Pístovými mikro a mini-motory různých konstrukcí se zabývají vědci na několika univerzitách ve světě. Jako nejperspektivnější se jeví konstrukce s volnými písty nespojenými s žádnou ojnicí a hřídelí. Výkon takového motoru se řídí nastavením kompresního poměru (sací objem/spalovací objem). Fungují v podstatě jako kompresor vzduchu (stlačuje se na opačné straně pístu než probíhá spalování), který následně pohání dynamo generující elektrické napětí nebo rovnou pohání jakékoliv mechanické ústrojí. Konstrukci, která je principiálně identická s klasickými spalovacími motory avšak s hranatým drážkovaný válcem i pístem, se dosud nepodařilo ve stísněných podmínkách přinutit něco spalovat (větší spalují vodík, metan a benzín), ale lze ji pohánět stlačeným plynem, což může být docela významné, když vezmeme v úvahu, že motor s volnými písty generuje stlačený vzduch. Písty nejsou hranaté pro nic za nic, ale proto, že ve velmi malém měřítku jsme schopni s dostatečnou přesností vyrábět pouze metodou fotolitografie, což je nanášení rovinných vrstev různých materiálů, a tak bychom válcový tvar vyrobit nemohli. Musíme s spokojit s hranatým, i když je méně výhodný opět z pohledu poměru plocha-objem.

Vysokootáčková turbína

Kompresor vysokootáčkové turbíny
Credit: Alan Epstein

Vysokootáčková turbína je nejvhodnější kandidát rozšíření, protože nabízí nejlepší poměr výkonu ku hmotnosti, neřeší problémy se zážehem a vibrace. Informoval o ní před více než rokem TH blog, kde je však mylně stavěna jako alternativa k palivovým článkům. Pro ně v současnosti nepředstavuje konkurenci, protože neřeší nízkou účinnost spalovacích motorů obecně, ale pouze dostupnost vysokého výkonu při malých rozměrech a hmotnosti. Mikroturbína precizně vyrobená fotolitografií vyniká neuvěřitelným milionem otáček za minutu, vnějším průměrem kolem jednoho centimetru a výškou asi tři milimetry. Nevýhodou je, že díky významnějšímu vlivu tření mezi vzduchem a rotorem při malých rozměrech má turbína relativně malý kompresní poměr na vstupu (3 až 4) oproti velkým turbínám (kde je 4 až 8), a tudíž účinnost je tak nižší. Ale co bychom chtěli po miniaturním jednostupňovém kompresoru. Ještě podotknu, že zde jsme schopni fotolitografií vyrobit "kulatou" turbínu proto, že je nízká, a tak nanášíme a odleptáváme vrstvy kruhového tvaru.

Wankelův motor

Rotační píst Wankelova mikromotoru
Credit: Berkley University

V autech a motocyklech občas s problémy používaný Wankelův motor se také dočkal miniaturizace. Motor s rotačním pístem o průměru asi 1 cm dosáhnul výkonu 4 W. Cílem vědců je vytvořit motor s jednomilimetrovým písem a výkonem 26 mW při 40 tisících otáčkách za minutu. Bohužel se vědci nezmiňují, zda jim způsobují problémy netěsnosti na hranách pístu, jako u velkých wankelů nebo se potýkají s jinými problémy.

Vlastnosti v praxi

Každého hned napadne, zda bude možné motory používat k napájení osobní elektroniky, když produkují horké spaliny a zejména oxid uhličitý. Obavy jsou zbytečné. Při uvedení do masové výroby určitě bude vyřešeno chlazení spalin tak, aby nemohly způsobit popáleniny nebo poškodit oděv. Zůstane-li výkon pod hranicí 10 W, bude produkce CO₂ srovnatelná s lidským dýcháním – tedy nic kritického do té doby, než mikromotor nebude mít každý v přecpaném autobuse.

Mají lepší energetickou účinnost akumulátory nebo mikromotory? Samy o sobě jsou s přibližně 80 % lepší akumulátory. Účinnost mikromotorů se pohybuje od 10 do 20 % a u přeměny mechanické energie na elektrickou můžeme počítat s 75 %; dohromady zhruba 10 %. Ovšem akumulátory se musí nabít a účinnost výroby elektřiny z fosilních paliv je asi 20 %. Efektivita využívání energetických zdrojů je srovnatelná. Mikromotory mají značnou výhodu tam, kde potřebujeme přímo mechanickou energii. Ale výhody jako okamžité "dobití" dolitím paliva a vyšší výkon jsou přesvědčivě na straně malých spalovacích motorů.

Utajený nebo nepovedený výzkum?

Všechny mikromotry mají něco společného. Na jejich financování se podílí vojenská výzkumná agentura DARPA a dostupné informace končí na bodě, že se podařilo otestovat větší model a vědci přistupují k realizaci pravého mikromotoru. Může to mít více důvodů. Buď se miniaturizace zdařila a armáda další vývoj převzala pod svá křídla, nebo se nezdařila a vědci se o tom z pochopitelných důvodů veřejně nešíří. V každém případě krok od "mini" k "mikro" vyžaduje to klíčové know-how, za které se platí miliony a to se nevystavuje na webu.

Dokážete si jistě představit, že vojáci vybavení lehkým výkonným zdrojem energie mají ohromnou výhodou před těmi, kteří s sebou musí vláčet těžké akumulátory. Moderní bojové vybavení pěšáků má stále větší spotřebu energie, ať už jde o komunikační zařízení, navigaci nebo pokročilé zobrazovací systémy pro noční či jinak upravené vidění. Důvody k utajení zde evidentně jsou.

Budoucnost osobních zdrojů energie

Dnes to vypadá tak, že v dohledné budoucnosti si budou konkurovat akumulátory, mikromotory a možná radioizotopové články. Palivové články nejspíš zůstanou doménou vyšších výkonů jako dobrá varianta pro pohon automobilů nebo zařízení pro ukládání sluneční či větrné energie. Každopádně se těším na dobu, kdy dobíjení elektroniky bude sváteční událostí probíhající jednou za měsíc.

Další informace

• Micro-engines (11. 1. 2006) – Vědci z Cambridge zkoumají pístový spalovací motor
• Detailní studie spalovací mikroturbíny (PDF 1,48 MB)
• Micro-engines to power next-gen PDAs, PCs, phones (19. 6.2003) – mikromotory pro pohon příštích PDA, PC, telefonů