Encender un chip

Alan Epstein se apresura a decirle que es un tipo de motores a reacción, en caso de que no haya adivinado tanto por las piezas del motor de turbina esparcidas por su oficina o el museo en la planta baja de sus laboratorios, que incluye un raro ejemplo de un motor alemán de 1944 que ayudó a iniciar la era del jet. Para el director del Laboratorio de Turbinas de Gas del MIT, que mide un metro y medio ligeramente encorvado, la fascinación tiene que ver con la potencia bruta. Los motores de un Boeing 747 empujan aire a Mach 1 con 120.000 libras de fuerza, dice Epstein. Los motores de tres 747 producen tanta potencia como una central nuclear.

Las turbinas de gas impulsaron gran parte de la tecnología del siglo XX, desde aviones comerciales y militares hasta las grandes plantas de gas que ayudaron a suministrar electricidad a los EE. UU. Pero en estos días no son las enormes máquinas del museo del laboratorio las que capturan el entusiasmo de Epstein. En cambio, es un motor a reacción reducido al tamaño de un botón de abrigo que se encuentra en la esquina de su escritorio. Es una versión liliputiense de los motores a reacción multiton que cambiaron los viajes aéreos y, cree, podría ser clave para impulsar la tecnología del siglo XXI.

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2004

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Aunque las palas de las turbinas abarcan un área más pequeña que una moneda de diez centavos, giran a más de un millón de revoluciones por minuto y están diseñadas para producir suficiente electricidad para alimentar la electrónica de mano. En el futuro previsible, espera Epstein, sus diminutas turbinas servirán como reemplazo de la batería, primero para los soldados y luego para los consumidores. Pero tiene una visión aún más ambiciosa: que pequeños grupos de motores podrían servir como plantas generadoras en el hogar, liberando a los consumidores de la red eléctrica, con sus ocasionales apagones y caídas de tensión. La tecnología podría ser especialmente útil en países pobres y áreas remotas que carecen de redes extensas y confiables para distribuir electricidad. Es tentadora una comparación de cómo la contracción continua del circuito integrado impulsó la revolución microelectrónica. Así como las PC llevaron la infraestructura informática a los usuarios, los micro motores podrían llevar la infraestructura energética de la sociedad a los usuarios, dice Epstein.

El objetivo inmediato de Epstein, sin embargo, es utilizar estos motores en miniatura como una alternativa económica y eficiente a las baterías para teléfonos celulares, cámaras digitales, PDA, computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos portátiles. La motivación es simple: las baterías son pesadas y caras y requieren una recarga frecuente. Y no producen mucha electricidad, a pesar de su tamaño y peso.

Las consecuencias de estas fallas van más allá de las molestias para el consumidor. Los soldados de hoy a menudo se ven obligados a cargar con baterías del tamaño de un ladrillo para alimentar su equipo de alta tecnología. Y paralizados por fuentes de alimentación de corta duración, los diseñadores de productos electrónicos de próxima generación se ven obligados con frecuencia a dejar de lado las mejoras y características que consumen mucha energía, como pantallas más grandes y brillantes y procesadores más potentes. Tomemos, por ejemplo, el PDA definitivo de Frog Design, una empresa con sede en Sunnyvale, California, especializada en diseño industrial. El dispositivo combina múltiples protocolos de radio de teléfono celular y Wi-Fi, ubicación GPS, una pantalla de proyección, la funcionalidad de una computadora portátil y la capacidad de navegar a través de bibliotecas de videos y reproducir películas completas. Pero existe solo como una maqueta; agotaría cualquier batería de tamaño razonable en media hora. Con funciones como la ubicación por GPS y las comunicaciones por radio, solo está consumiendo baterías, dice Valerie Casey de Frog Design.

Un motor de micro turbina de gas cambiaría todo eso. Podría funcionar durante diez o más horas con un contenedor de combustible diesel un poco más grande que una batería D; cuando se agotaba el cartucho de combustible, se podía cambiar fácilmente por uno nuevo. Cada cartucho desechable acumularía tanta energía como unos pocos puñados de baterías de iones de litio. Como resultado, un paquete pequeño de cartuchos baratos y livianos podría alimentar una PDA o teléfono celular durante varios días de uso intensivo, sin necesidad de recargar en el tomacorriente, una característica muy atractiva para los soldados en lugares remotos o viajeros. Además, la turbina en miniatura ocupa aproximadamente una cuarta parte del volumen de una batería típica de un teléfono celular.

No es que un micro motor esté exento de inconvenientes. Dispararía una pequeña corriente de gas de escape caliente, por un lado, lo que lo haría más adecuado para dispositivos abrochados a los cinturones o llevados en maletines que para los que están metidos en los bolsillos. El motor en sí se calentaría, aunque un supresor de escape evitaría que los dispositivos se calienten mucho más de lo que lo hacen hoy. Pero para muchas aplicaciones que consumen mucha energía, dice Epstein, una potencia notable de turbinas diminutas superaría con creces cualquier desventaja. Sugiere Epstein: No se necesita un motor a reacción muy bueno para funcionar mejor que las baterías.

Conectado a tierra
Epstein comenzó a pensar en construir un motor a reacción en un chip hace casi una década. En ese momento, los sistemas microelectromecánicos (MEMS) estaban ganando velocidad. Habían surgido técnicas para tallar nuevos tipos de características en las superficies de losas de silicio, incluidas cámaras y tuberías selladas y piezas móviles como ruedas giratorias, la mayoría de las piezas necesarias para un motor de turbina de gas. Al principio, no estaba tan claro lo que se haría con un motor de combustión en miniatura. Pensamos que podríamos reducir el costo si pudiéramos encontrar una razón para necesitar muchos de ellos, dice Epstein. Pero lo único que podíamos ver hacer con motores diminutos era volar aviones diminutos, y eso parecía una estupidez. Por supuesto, no habíamos contado con el Departamento de Defensa.

Efectivamente, el ejército de EE. UU. Se entusiasmó repentinamente con la idea de aviones de 15 centímetros de largo que pudieran llevar pequeñas cámaras de vigilancia. Los ingenieros del laboratorio de Epsteins estaban algo menos entusiasmados; sospechaban que conseguir chips de jet que estuvieran en condiciones de volar llevaría un par de décadas. Luego, Epstein se aferró a una necesidad militar más inmediata: liberar a los soldados de las baterías que muchos de ellos tienen que cargar para alimentar radios, receptores GPS, gafas de visión nocturna y otros dispositivos. Y a diferencia de un motor de avión en miniatura, un chip de reacción que reemplaza la batería tendría un enorme potencial comercial.

Otros científicos e ingenieros de materiales ya estaban comenzando a trabajar en formas de encoger las máquinas generadoras de energía para complementar o reemplazar las baterías, creando un nuevo campo llamado MEMS de energía. El enfoque más popular consistía en encoger las pilas de combustible, que normalmente hacen pasar hidrógeno a través de una membrana que extrae electrones para crear una corriente eléctrica. Pero Epstein estaba convencido de que las turbinas de gas eran una mejor manera de hacerlo, debido a su capacidad incomparable para extraer energía de los combustibles de hidrocarburos. La tecnología se vuelve aún más atractiva cuando es fundamental minimizar el peso y el volumen, como ocurre con los dispositivos portátiles. Un chip de reacción tendría como mucho la mitad del tamaño de una micro celda de combustible de igual capacidad energética. Una turbina de gas también debería ser relativamente fácil de fabricar, pensó Epstein, porque podría construirse completamente con silicio, utilizando técnicas de fabricación estándar.

Aunque Epstein imaginó que su versión micro funcionaba aproximadamente de la misma manera que lo hace una turbina de gas convencional, mucho sobre los motores a reacción micro era un misterio. ¿Se desmoronaría el silicio a temperaturas de 1.300 ° C? ¿Podrían los cojinetes microscópicos manejar más de un millón de revoluciones por minuto? Con fondos del ejército de los EE. UU., Epstein aprovechó la experiencia de los laboratorios vecinos del MIT en mecánica de fluidos, ciencia de materiales, ingeniería estructural y microfabricación. El equipo del proyecto finalmente aumentó a docenas de investigadores, incluido Mark Spearing, un ingeniero de materiales encargado de encontrar formas de mantener intactas las microestructuras de silicio bajo un calor y una presión furiosos. La mayoría de los chips MEMS implican grabar pequeñas estructuras de hasta 10 micrones de altura, dice Spearing. Íbamos a partes de cientos de micrones de altura.

En la mano
A principios de este año, Epstein y sus compañeros de trabajo terminaron de fabricar motores en los que funciona cada una de las partes individuales: la cámara de combustión quema combustible y las palas de la turbina giran. El dispositivo resultante está sellado por todas partes, con orificios en la parte superior e inferior para la entrada de aire, la entrada de combustible y el escape. Una deficiencia: no se ejecuta de forma continua. El obstáculo, dice Epstein, son las imperfecciones que desequilibran las cuchillas y hacen que se tambaleen. Creemos que sabemos qué hacer para corregirlo, dice. El problema es que se necesitan tres meses para obtener piezas nuevas cuando hace un ajuste, por lo que solo estábamos esperando las piezas nuevas. Epstein predice que el chip funcionará dentro de unos meses, un poco antes de lo previsto. Spearing estima que una versión capaz de producir suficiente energía para hacer funcionar los dispositivos tardaría dos o tres años más, y uno o dos años más para producir una versión comercializable.

Eso significa conceder una ventaja temprana en la carrera de MEMS de energía hacia las celdas de combustible, que ya están llegando al mercado. MTI Micro Fuel Cells, con sede en Albany, Nueva York, se está preparando para lanzar una del tamaño de una baraja de cartas para su uso en dispositivos industriales portátiles, como lectores de etiquetas de identificación por radiofrecuencia, y tiene planes de lanzar una versión ligeramente más pequeña para teléfonos móviles, PDA, y cámaras digitales. Medis Technologies de la ciudad de Nueva York tiene la intención de vender una micro celda de combustible desechable de $ 20 el próximo año.

Nuestra competencia son las pilas de combustible, absolutamente, dice Epstein. Pero insiste en que los chips de las turbinas pueden recuperar el terreno perdido. Hasta ahora se han invertido unos pocos millones de dólares en microturbinas, frente a los miles de millones invertidos en pilas de combustible, puntualiza. La fe de Epstein se alimenta de las ventajas inherentes que ve en las turbinas. Incluso las micro celdas de combustible son más grandes y son mucho más delicadas con el combustible que un motor de turbina. Pero al final, todo se reduce al poder. La mayoría de las micro celdas de combustible luchan por apagar uno o dos vatios, mientras que los prototipos de Epsteins podrían proporcionar de 15 a 20 vatios, más que suficiente para mantener en funcionamiento un dispositivo portátil que consume mucha energía. Las computadoras portátiles pueden requerir 50 vatios, pero unas pocas turbinas trabajando juntas podrían fácilmente extraer esa cantidad de energía. Asimismo, Epstein prevé que un grupo de pequeños motores, cada uno capaz de producir hasta cien vatios, podría suministrar a una casa una fuente de electricidad eficiente y confiable.

Ese cambio seguramente llevará tiempo. Pero Epstein lo ve como la extensión natural del notable progreso que los motores a reacción han logrado durante la segunda mitad del siglo XX, desde los novedosos aviones de combate que aparecieron en la Segunda Guerra Mundial hasta los gigantescos motores que impulsan los aviones jumbo de la actualidad. Y aunque Epstein predice que, desde el punto de vista de los ingenieros, sus diminutas turbinas basadas en chips funcionarán inicialmente más como los jets pioneros de la década de 1940 que como las turbinas de gas supereficientes actuales, confía plenamente en el enorme potencial de la tecnología para evolucionar. De hecho, los viejos motores del museo de sus laboratorios son un recordatorio siempre presente de la asombrosa potencia de las turbinas de gas.

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