Động cơ trên chip - giải pháp thay thế pin cho thiết bị di động

Làm thế nào cung cấp nguồn năng lượng hiệu quả nhất cho các thiết bị di động là một trong những lĩnh vực nghiên cứu được quan tâm và cạnh tranh dữ dội nhất hiện nay. Pin sạc và pin nhiên liệu - hai nguồn cung cấp điện năng truyền thống cho điện thoại di động (ĐTDĐ) và máy tính xách tay mặc dù liên tục có những bước cải tiến nhưng còn hạn chế ở thời gian hoạt động. Các nhà nghiên cứu Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Mỹ) nghĩ ra giải pháp mới - chế tạo động cơ tua-bin khí nhỏ trên chip có thể thay thế pin cung cấp điện năng cho máy tính xách tay, ĐTDĐ, radio và cả máy phát điện gia đình.

Động cơ hoàn chỉnh nằm gọn trong tay của giáo sư Epstein.

Động cơ tua-bin khí ngày càng phổ dụng trong việc cung cấp điện năng ở các thành phố, và giáo sư về du hành vũ trụ và hàng không học Alan Epstein, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu ở MIT, nảy ra ý tưởng phát triển các phiên bản rất nhỏ của loại động cơ này để “cung cấp điện năng cho một người”. Động cơ tua-bin khí nhỏ của MIT nhỏ cỡ đồng 20 xu, nhưng có thể cung cấp lượng điện năng gấp 5 lần các loại pin máy tính xách tay hiện tại trong khi giá lại không đổi. Máy tính xách tay hiện thường hoạt động trung bình trong 3 giờ sau mỗi lần sạc, nhưng khi sử dụng các động cơ mi-ni trên chip sẽ có thể xài máy trong khoảng từ 15 đến 20 giờ. Sau 10 năm theo đuổi dự án “engine on chip”, giáo sư Alan Epstein tin rằng nó sẽ được thương mại hóa trong vòng 3 đến 5 năm nữa.

Động cơ này hoạt động trên nguyên tắc giống với động cơ phản lực. Một bộ phận nén hút không khí từ ngoài vào và nén khí. Các vòi phun nhiên liệu thêm nhiên liệu vào khí nén và hỗn hợp bốc cháy. Động cơ của Epstein sẽ hoạt động với nhiều loại nhiên liệu như dầu lửa, khí propane, ethanol, methanol hay hydrogen. Khí nóng được tạo ra lan tỏa nhanh chóng để quay tua-bin, sẽ quay ống xoắn ruột gà bên trong nam châm để tạo ra điện năng. Một động cơ phản lực có hàng ngàn linh kiện được lắp ráp thành vài bộ phận gồm có bộ nén khí, khoang đốt và tua-bin. Trong khi đó, động cơ tí hon của Epstein chỉ có 2 bộ phận: một khối quay có thể chuyển động và một cấu trúc tĩnh hoạt động như bộ nén khí và khoang đốt.

Động cơ phản lực này có thể được nhét vào hộp diêm, khoang đốt của nó nhỏ cỡ cục tẩy viết chì và các vòi phun nhiên liệu là các lỗ cỡ cái chấm viết. Những bộ phận tí hon như thế đòi hỏi một qui trình sản xuất phức tạp hơn rất nhiều lần so với các bộ phận động cơ phản lực lớn. Epstein và nhóm nghiên cứu của ông, cũng như những nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này, đã hướng đến lĩnh vực hệ thống vi điện máy (MEMS), được sử dụng để chế tạo

Một bộ phận của động cơ trên chip.

các thiết bị nhỏ từ chip máy tính và bộ cảm biến sinh học cho đến bộ xử lý hóa học. Nhóm nghiên cứu của Epstein đã phải khắc các thành phần từ các tấm silicon và động cơ tí hon sau cùng được tạo thành từ 6 tấm silicon được chất chồng lên nhau và liên kết với nhau. Để giảm chi phí, đến 100 bộ phận đã được tạo ra từ một tấm silicon lớn và được cắt thành những bộ phận riêng lẻ. Qui trình bắt đầu với một khoang đốt nhỏ, nơi nhiên liệu và khí trộn lẫn và bốc cháy ở điểm nóng chảy của thép (khoảng 1.3700C). Các cánh tua bin quay ở tốc độ 20.000 vòng/giây. Một máy phát điện nhỏ sẽ tạo ra 10 watt điện năng và một bộ nén khí nhỏ tăng áp suất không khí chuẩn bị đốt cháy. Quá trình làm mát được kiểm soát bằng cách đưa khí nén quanh bên ngoài khoang đốt.

Quá trình khắc và lắp ráp các bộ phận đòi hỏi độ chính xác rất cao, và không được mắc lỗi. Nếu có một sơ suất nhỏ ở một bộ phận đơn lẻ có nghĩa là phải bắt đầu lại từ đầu, và nếu có gì cần thay đổi, toàn bộ qui trình thiết kế có thể sẽ phải trở lại trên bàn giấy. Cho đến nay, các thành phần đơn lẻ đã được chế tạo và thử nghiệm thành công, do đó thử thách kế tiếp là thử nghiệm một chip tích hợp, và giai đoạn này sẽ được tiến hành vào cuối năm nay.

Q. HÙNG