Mokslo ir technologijų pasaulis

Garo varikliai, vidaus degimo varikliai ir dyzeliniai varikliai yra skirtingų rūšių šiluminiai varikliai, kurie veikia versdami šiluminę energiją į mechaninį darbą. Nors daug laiko praėjo nuo pirmųjų šiluminių variklių sukūrimo, tačiau jų dydžio mažinimas iki mikromatmenų yra sudėtingas dalykas. Mažėjant variklio dydžiui, stipriai mažėja jo efektyvumas ir galios tankis. Mokslininkų grupė iš Olandijos pademonstravo miniatūrinį šiluminį variklį, kurio bendras tūris yra tik 0,34 kubinio mikrometro. Ir tai, matyt, bus mažiausias kada nors sukurtas šiluminis variklis.

Grupės vadovas Piteris Stinekenas (Peter Steeneken) paaiškino, kad vietoje degalų, gaminančių šilumą, jų variklis naudoja elektros energiją. Gauta šiluma verčiama į mechaninę energiją. Šiluminio variklio pagrindas yra mikrometro dydžio silicio kristalas, turintis du iš vieno galo išsikišusius strypelius. Kai 1,2 miliamperų srovė paduodama link vieno iš strypelio, tai jis įkaista dėl turimos elektrinės varžos. Įkaitintas strypelis plečiasi. Tačiau dėl pjezovaržos efekto, strypelio varža mažėja, kai jis plečiasi. Varžai mažėjant, strypelis vėsta ir traukiasi. Mechaninė galia, atsiradusi dėl plėtimosi bei traukimosi, yra panaudojama pastoviems viso kristalo virpesiams kurti. Kristalas virpa 1,3 MHz dažniu, tai yra juda pirmyn ir atgal daugiau kaip milijoną kartų per sekundę dažniu.

„Esmė, kad toks mažas variklis veikia, yra tame, kad mes panaudojame naują veikimo mechanizmą, kuris leidžia siliciui tapti darbine medžiaga, - pasakė Stinekenas. - Visų pirma, silicis gali būti apdorojamas taikant litografijoje naudojamus metodus, kurie yra išvystyti puslaidininkių pramonėje. Todėl galima padaryti visiškai mažus įrenginius. Antra, silicio šiluminė talpa yra žymiai didesnė nei dujų ar skysčių. Trečia, energijai perduoti naudojame laidus. Elektros laidai gali būti pagaminti žymiai mažesni nei vamzdžiai, kurie naudojami dujoms ar skysčiams perduoti. Vamzdžio klampioji trintis labai išauga, kai jo diametras pasidaro labai mažas“.

„Iš mokslinės pusės, darbo esmė yra atgalinio ryšio mechanizmas, kuris verčia elektros srovę į pastovius mechaninius virpesius. Mes tai padarėme su siliciu, tačiau gali būti panaudotos ir kitos medžiagos. Mechaninis judėjimas atsiranda pritaikius šiluminio variklio mechanizmą. Panašiai yra ir vidaus degimo varikliuose, naudojamuose automobiliuose, kai degalai yra verčiami į šilumą, o šiluma virsta į mechaninį judėjimą. Mūsų pagamintame silicio šiluminiame variklyje, kuras yra elektra, o šiluma gaminama silicio strypelyje“.

Nors pademonstruotas šiluminis variklis yra labai mažas, sunku nustatyti ar tai absoliučiai mažiausias variklis, nes viskas priklauso, kokias dalis matuosime. Darbe dalyvaujančios dalies – strypelio – užimama vieta sudaro tik 0,34 kubinio mikrometro, todėl šiuo atveju tai būtų pats mažiausias variklis. Viso silicio rezonatoriaus tūris yra tūkstantis kubinių mikrometrų, o tai reiškia, kad toks variklis nėra mažiausias.

Galia mechaniniam judesiui kurti yra generuojama mažame 280 nm storio silicio strypelyje, „kurio tūris prilygsta vidutinio dydžio bakterijos tūriui. Šiuo atveju visa galia (1 mW) yra sukoncentruota labai mažo tūrio silicio strypelyje. Gaunama labai didelė šilumos galia tūriui (2 PW/m³). Jei tokia pat galia tūriui būtų panaudota didesniam kristalui, tai jis išsilydytų dar prieš prasidedant virpesiams. Tai, matyt, yra pagrindinė priežastis, kodėl tokio tipo šiluminiai varikliai nebuvo sukurti didesniems prietaisams.

Mokslininkai nustatė, kad naujasis šiluminis variklis turi labai gerą galios tankį, jei skaičiavimuose naudosime strypelio tūrį. Galios tankis yra beveik tūkstantį kartų didesnis nei dabartinių automobilių variklių. Tai reiškia, jei automobilio variklį sumažintume iki tokių matmenų, kaip silicio strypelis, tai silicio šiluminis variklis gamintų tūkstantį kartų daugiau galios. Naujojo šiluminio variklio galios tankis taip pat yra žymiai didesnis nei kitų mikrovariklių. Vėl, jei skaičiuosime su viso kristalo tūriu, tai energijos tankis, lyginant su kitais varikliais, nebus pats geriausias. Mokslininkai tikisi, kad patobulinus naujojo šiluminio variklio dizainą, galima būtų dar labiau padidinti galios tankį bei efektyvumą, kuris dabar, lyginant su kitais varikliais, yra mažas.

Sukurti šiluminiai varikliai, mokslininkų nuomone, galėtų būti pritaikyti mažiems laikrodžiams ar mechaniniams osciliatoriams. Dabar tiksliausi laikrodžiai naudoja kvarco kristalus, kurie ir užduoda virpesių dažnį. Kartu naudojama ir tranzistorių grandinė, kuri perduoda energiją iš baterijos elemento. Panaudojus silicio šiluminį variklį nebereikėtų nei kvarco kristalo, nei tranzistorių. Įrenginys taptų mažesnis ir paprastesnis bei pigiau pagaminamas. Dar daugiau, maži laikrodžiai galėtų būti panaudoti generuojant aukšto dažnio radijo signalus belaidžio ryšio prietaisuose ar generuojant mikroprocesorių laikrodinį dažnį kompiuterių mikroschemose.

Žemiau esančiame video galima pamatyti sulėtintus silicio šiluminio variklio virpesius (dešinėje).