Alimentation sur une puce

Alan Epstein s'empresse de vous dire qu'il est un gars de moteur à réaction - juste au cas où vous ne l'auriez pas deviné d'après les pièces de moteur à turbine éparpillées dans son bureau ou le musée au rez-de-chaussée de son laboratoire, qui comprend un rare exemple d'un moteur allemand de 1944 qui aidé à lancer l'ère du jet. Pour le directeur du laboratoire de turbines à gaz du MIT, qui mesure cinq pieds six pouces légèrement voûté, la fascination a à voir avec la puissance brute. Les moteurs d'un Boeing 747 ont poussé l'air à Mach 1 avec une force de 120 000 livres, explique Epstein. Les moteurs de trois 747 produisent autant de puissance qu'une centrale nucléaire.

Les turbines à gaz alimentaient une grande partie de la technologie du XXe siècle, des avions commerciaux et militaires aux grandes centrales au gaz qui contribuaient à fournir de l'électricité aux États-Unis. Mais de nos jours, ce ne sont pas les énormes machines du musée des laboratoires qui capturent l'enthousiasme d'Epstein. Au lieu de cela, c'est un moteur à réaction rétréci à environ la taille d'un bouton de manteau qui se trouve sur le coin de son bureau. C'est une version lilliputienne des moteurs à réaction de plusieurs tonnes qui ont changé le transport aérien et, selon lui, cela pourrait être la clé pour alimenter la technologie du 21e siècle.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2004

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Bien que les pales des turbines s'étendent sur une surface inférieure à un centime, elles tournent à plus d'un million de tours par minute et sont conçues pour produire suffisamment d'électricité pour alimenter les appareils électroniques portables. Dans un avenir prévisible, s'attend Epstein, ses minuscules turbines serviront de remplacement de batterie, d'abord pour les soldats, puis pour les consommateurs. Mais il a une vision encore plus ambitieuse : que de petits groupes de moteurs pourraient servir de centrales de production domestique, libérant les consommateurs du réseau électrique, avec ses pannes et ses pannes occasionnelles. La technologie pourrait être particulièrement utile dans les pays pauvres et les zones reculées qui manquent de réseaux étendus et fiables pour la distribution d'électricité. Une comparaison avec la façon dont le rétrécissement continu du circuit intégré a entraîné la révolution microélectronique est tentante. Tout comme les PC ont poussé l'infrastructure informatique vers les utilisateurs, les micromoteurs pourraient pousser l'infrastructure énergétique de la société vers les utilisateurs, explique Epstein.

L'objectif immédiat d'Epstein, cependant, est d'utiliser ces moteurs miniatures comme une alternative bon marché et efficace aux batteries pour téléphones portables, appareils photo numériques, PDA, ordinateurs portables et autres appareils électroniques portables. La motivation est simple : les batteries sont lourdes et chères et nécessitent des recharges fréquentes. Et ils ne produisent pas beaucoup d'électricité, pour toute leur taille et leur poids.

Les conséquences de ces manquements vont au-delà des désagréments du consommateur. Les soldats d'aujourd'hui sont souvent obligés de trimballer des batteries de la taille d'une brique pour alimenter leur équipement de haute technologie. Et paralysés par des alimentations de courte durée, les concepteurs d'électronique de nouvelle génération sont souvent contraints de laisser de côté des améliorations et des fonctionnalités énergivores telles que des écrans plus grands et plus lumineux et des processeurs plus puissants. Prenez, par exemple, le PDA ultime de Frog Design, une entreprise basée à Sunnyvale, en Californie, spécialisée dans le design industriel. L'appareil combine plusieurs protocoles de téléphonie mobile et de radio Wi-Fi, une localisation GPS, un écran de projection, la fonctionnalité d'un ordinateur portable et la possibilité de parcourir les vidéothèques et de lire des films complets. Mais il n'existe que sous forme de maquette ; cela viderait n'importe quelle batterie de taille raisonnable en une demi-heure. Avec des fonctions telles que la localisation GPS et les communications radio, vous ne faites que manger des piles, explique Valerie Casey de Frog Design.

Un micromoteur à turbine à gaz changerait tout cela. Il pouvait fonctionner pendant dix heures ou plus avec un conteneur de carburant diesel légèrement plus grand qu'une batterie D ; lorsque la cartouche de carburant était épuisée, une nouvelle pouvait être facilement remplacée. Chaque cartouche jetable contiendrait autant d'énergie que quelques grosses poignées de batteries lithium-ion. En conséquence, un petit paquet de cartouches bon marché et légères pourrait alimenter un PDA ou un téléphone portable pendant plusieurs jours d'utilisation intensive, aucune recharge murale n'est requise, une caractéristique très attrayante pour les soldats dans des endroits éloignés ou les voyageurs. De plus, la turbine miniature occupe environ un quart du volume d'une batterie de téléphone portable typique.

Non pas qu'un micro moteur soit sans inconvénients. Il projetterait un minuscule flux de gaz d'échappement chauds, d'une part, le rendant plus approprié pour les appareils attachés à la ceinture ou transportés dans des mallettes que pour ceux rangés dans des poches. Le moteur lui-même deviendrait chaud, bien qu'un suppresseur d'échappement empêcherait facilement les appareils de chauffer beaucoup plus qu'aujourd'hui. Mais pour de nombreuses applications énergivores, dit Epstein, une puissance de sortie remarquable de minuscules turbines l'emporterait de loin sur les inconvénients. Suggère Epstein, Vous n'avez pas besoin d'un très bon moteur à réaction pour faire mieux que des batteries.

Fondé
Epstein a commencé à penser à construire un moteur à réaction sur une puce il y a près de dix ans. À l'époque, les systèmes microélectromécaniques (MEMS) prenaient de la vitesse. Des techniques avaient émergé pour graver de nouveaux types de caractéristiques dans les surfaces des plaques de silicium, y compris des chambres et des tuyaux scellés et des pièces mobiles comme des roues tournantes, la plupart des pièces nécessaires pour un moteur à turbine à gaz. Au début, ce que l'on ferait avec un moteur miniature à essence était moins clair. Nous pensions que nous serions en mesure de réduire les coûts si nous pouvions trouver une raison d'en avoir besoin, dit Epstein. Mais la seule chose que nous pouvions voir faire avec de petits moteurs était de piloter de petits avions, et cela semblait stupide. Bien sûr, nous n'avions pas compté sur le DoD.

Effectivement, l'armée américaine a soudain été enthousiasmée par l'idée d'avions de 15 centimètres de long qui pourraient transporter de petites caméras pour la surveillance. Les ingénieurs du laboratoire d'Epstein étaient un peu moins enthousiastes ; ils soupçonnaient que l'obtention de puces à réaction en état de navigabilité prendrait quelques décennies. Epstein s'est ensuite penché sur un besoin militaire plus immédiat : libérer les soldats des batteries que beaucoup d'entre eux doivent trimballer pour alimenter des radios, des récepteurs GPS, des lunettes de vision nocturne et d'autres gadgets. Et contrairement à un moteur d'avion miniature, une puce à réaction remplaçant la batterie aurait un énorme potentiel commercial.

D'autres scientifiques et ingénieurs des matériaux commençaient déjà à travailler sur des moyens de réduire les machines productrices d'électricité pour compléter ou remplacer les batteries, créant un nouveau domaine appelé power MEMS. L'approche la plus populaire consistait à réduire les piles à combustible, qui font généralement passer l'hydrogène à travers une membrane qui extrait les électrons pour créer un courant électrique. Mais Epstein était convaincu que les turbines à gaz étaient une meilleure solution, en raison de leur capacité inégalée à extraire de l'énergie des hydrocarbures. La technologie devient encore plus attrayante lorsque la réduction du poids et du volume est essentielle, comme avec les appareils portables. Une puce à jet aurait au plus la moitié de la taille d'une micropile à combustible de capacité énergétique égale. Une turbine à gaz devrait également être relativement facile à fabriquer, a estimé Epstein, car elle pourrait être entièrement construite en silicium, en utilisant des techniques de fabrication standard.

Bien qu'Epstein ait envisagé que sa version micro fonctionne à peu près de la même manière qu'une turbine à gaz conventionnelle, une grande partie des moteurs à réaction était un mystère. Le silicium s'effondrerait-il sous des températures de 1 300 °C ? Les roulements microscopiques pourraient-ils gérer plus d'un million de tours par minute ? Grâce au financement de l'armée américaine, Epstein a puisé dans l'expertise des laboratoires voisins du MIT en mécanique des fluides, science des matériaux, ingénierie structurelle et microfabrication. L'équipe du projet s'est finalement élargie à des dizaines de chercheurs, dont Mark Spearing, un ingénieur en matériaux chargé de trouver des moyens de garder les microstructures de silicium intactes sous une chaleur et une pression furieuses. La plupart des puces MEMS impliquent la gravure de petites structures jusqu'à 10 microns de hauteur, explique Spearing. Nous allions à des pièces qui mesurent des centaines de microns.

Dans la main
Plus tôt cette année, Epstein et ses collègues ont terminé la fabrication de moteurs dans lesquels chacune des pièces individuelles fonctionne : la chambre de combustion brûle du carburant et les aubes de turbine tournent. Le dispositif résultant est scellé tout autour, avec des trous en haut et en bas pour l'admission d'air, l'admission de carburant et l'échappement. Un inconvénient : il ne fonctionne pas en continu. L'obstacle, dit Epstein, ce sont les imperfections qui déséquilibrent les lames et les font vaciller. Nous pensons que nous savons quoi faire pour le corriger, dit-il. Le problème est qu'il faut trois mois pour obtenir de nouvelles pièces lorsque vous effectuez un réglage, donc nous attendions simplement les nouvelles pièces. Epstein prédit que la puce fonctionnera dans quelques mois, un peu plus tôt que prévu. Spearing estime qu'une version capable de fournir suffisamment de puissance pour faire fonctionner des appareils prendrait deux à trois ans de plus, avec encore un ou deux ans au-delà pour produire une version commercialisable.

Cela signifie concéder une avance rapide dans la course des MEMS de puissance aux piles à combustible, qui arrivent déjà sur le marché. MTI Micro Fuel Cells, basé à Albany, à New York, se prépare à lancer un jeu de cartes de la taille d'un jeu de cartes à utiliser dans les appareils industriels portables tels que les lecteurs d'étiquettes d'identification à radiofréquence et prévoit de déployer une version légèrement plus petite pour les téléphones portables, les PDA, et appareils photo numériques. Medis Technologies de New York a l'intention de vendre une micro-pile à combustible jetable à 20 $ l'année prochaine.

Notre concurrence, ce sont les piles à combustible, absolument, dit Epstein. Mais il insiste sur le fait que les puces de turbine peuvent rattraper tout le terrain perdu. Jusqu'à présent, quelques millions de dollars ont été investis dans les microturbines, contre les milliards investis dans les piles à combustible, précise-t-il. La foi d'Epstein est alimentée par les avantages inhérents qu'il voit dans les turbines. Même les micropiles à combustible sont plus grosses, et elles sont beaucoup plus pointilleuses sur le carburant qu'un moteur à turbine. Mais au final, tout se résume au pouvoir. La plupart des micropiles à combustible ont du mal à produire un ou deux watts, tandis que les prototypes d'Epstein pourraient fournir 15 à 20 watts, plus que suffisant pour faire fonctionner un appareil portable gourmand en énergie. Les ordinateurs portables peuvent nécessiter 50 watts, mais quelques turbines fonctionnant ensemble pourraient facilement pomper autant de puissance. De même, Epstein envisage qu'un groupe de minuscules moteurs, chacun capable de produire jusqu'à cent watts, pourrait fournir à une maison une source d'électricité efficace et fiable.

Ce basculement prendra sûrement du temps. Mais Epstein y voit le prolongement naturel des progrès remarquables réalisés par les moteurs à réaction tout au long de la seconde moitié du 20e siècle, des nouveaux avions de combat apparus pendant la Seconde Guerre mondiale aux moteurs géants qui alimentent les gros porteurs d'aujourd'hui. Et bien qu'Epstein prédise que, du point de vue des ingénieurs, ses minuscules turbines à base de puces fonctionneront initialement plus comme les jets pionniers des années 1940 que comme les turbines à gaz super efficaces d'aujourd'hui, il est pleinement confiant dans le vaste potentiel des technologies à évoluer. En effet, les moteurs vieillissants de son musée des laboratoires sont un rappel toujours présent de la puissance impressionnante des turbines à gaz.

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