Як створити "кишеньковий" генератор електрики самому: інженери знайшли спосіб

Фахівці компанії RUVDS вигадали, як створити мініатюрний турбореактивний генератор електроенергії. Вони представили докладну інструкцію на сайті "Хабр".

Нещодавно співробітники Массачусетського технологічного інституту (MIT) розробили мікротурбіну, яку можна використовувати для видобутку електроенергії та живлення різних пристроїв. Її діаметр становив 1 см, а товщина стінок — близько 3 мм, але попри це прилад видавав потужність близько 80-100 Вт. Конструкція майже повністю повторює звичайні газові турбіни для турбореактивних двигунів. Витрата повітря становить 0,1-0,2 г/с, а палива 7 г/год за потужності 50 Вт.

Варто розповісти про те, як улаштований класичний газотурбінний двигун. Першу робочу турбіну представив винахідник Егідус Елінг у 1903 році. Використовуючи ці напрацювання, офіцер ВПС Великобританії Френк Віттл у 1930 році запатентував газову турбіну, яка лягла в основу всіх наступних двигунів.

Принцип дії полягає в тому, що повітря втягується всередину через передню частину за допомогою компресора (крильчатки, насадженої на вал), потім стискається газ, в нього впорскується паливо і підпалюється. Продукти згоряння дуже швидко викидаються через задню частину, внаслідок чого розкручується друга крильчатка — вона і називається турбіною.

Професор MIT Алан Епштейн дійшов висновку, що якщо турбіни мають таку високу потужність, то навіть під час зменшення зі збереженням пропорцій зможуть стати хорошим джерелом енергії для електричних пристроїв. Вчений звернувся до технології мікроелектромеханічних систем (MEMS), які створюються за допомогою літографії, тобто друку на плоскій поверхні під великим тиском, використовуючи замість чорнила різні матеріали. Для створення мікротурбіну кремній за допомогою реактивного іонного травлення наносять на пластини, а потім скріплюють їх разом.

RUVDS зазначає, що більшість відкритих досліджень з турбін датовані найпізніше 2003 роком. Як припускають автори, дані про пізніші модифікації систем засекречені. У доступних джерелах йдеться про те, що розробки просуваються повільно через відсутність технічних можливостей для створення складних тривимірних об'єктів. Однак зараз такі можливості є, наприклад, 3D-друк металом. Надрукувати деталі для турбіни з ротором в 4 мм на промисловому принтері можна досить дешево, адже зазвичай ціни встановлюють за кубічний сантиметр. Наприклад, на сайті української компанії 3Dreams вказані такі розцінки:

• Металізований пластик — 200 грн/куб.см;
• Сталь — 400 грн/куб.см;
• Високоточна сталь — 700 грн/куб.см;
• Алюміній — 700 грн куб.см.

Потрібно врахувати температуру, яку може витримати матеріал — вона залежить від палива та енерговіддачі. В крайньому разі можна змусити турбогенератор працювати не на повну силу, і знизити навантаження. За бажання мікротурбіну можна отримати навіть за допомогою лазерної порізки по металу. Матеріали для ротора і корпусу потрібно підібрати так, щоб вони не пошкоджували один одного в разі випадкових торкань, наприклад, хром і чавун (м'який і жорсткий).

Фахівці також радять добре підвісити крильчатку на газових підшипниках, тобто розрахувати відстань таким чином, щоб під час роботи ротор віддалявся від корпусу і не торкався його. Для цього можна скористатися спеціальним програмним забезпеченням, таким як модуль Flow Simulation в САПР Solidworks. Воно дозволяє створити тривимірну модель турбіни та протестувати її на потоки.

Розробники мікротурбіни планували покривати камеру згоряння каталізатором для кращого горіння вуглеводневого палива. Одним з таких є платина — досить купити тоненький дріт і нанести на внутрішні верстати за допомогою скляної банки та вакуумного насоса. Під час роботи дорогий матеріал не псується, але прискорює процес. Можна обійтися і без каталізатора, але доведеться знайти інший спосіб надійного запалення та горіння палива, щоб система могла підтримувати її самостійно після прогрівання.

Раніше виробник дронів Fusionflight анонсував мікротурбінний генератор ARC потужністю 8 кВт та вагою менш як 9 кг. Він у 10 разів менший за бензинові інвертори, але не поступається їм за продуктивністю.