Malé spalovací motory místo akumulátorů

Malé spalovací motory dokáží dodat více energie než jakékoliv současné akumulátory. Místo dobíjení baterií budeme dolévat benzín. Zůstává výzkum mikromotorů utajen z důvodu strategického vojenského významu?

Větší výkon při stejné hmotnosti

Malé spalovací motory jsou schopny podat při stejné hmotnosti jako dnešní nejlepší akumulátory desetkrát větší výkon. Neopomenutelnou výhodo také je, že "dobití" probíhá pouhým dolitím paliva, takže nemusí dojít k přerušení chodu zařízení a to může i v polních podmínkách pracovat nepřetržitě. Výkon mini a mikro-motorů je závislý především na jejich typu. Obecným předpokladem je, že 1 cm³ vnějšího objemu motoru by měl produkovat výkon v rozmezí 10 až 100 W. Ovšem jakékoliv spalování v malých objemech je problémové. Jednak existuje určitý minimální rozměr (průměr plamene), pod kterým není schopen hořet. Pro běžné podmínky a palivo z uhlovodíků (benzín, nafta, petrolej, atd.) je to kolem dvou milimetrů. Také odvod tepla je při malých rozměrech pístů mnohem větší, a tak znesnadňuje či dokonce znemožňuje hoření. Oba nepříznivé jevy souvisí s poměrem plochy a objemu spalovacího prostoru, který je při malých rozměrech velký (plocha roste s druhou mocninou a objem se třetí). Protože teplo "vzniká" z objemu paliva a vzduchu, odvádí jej plocha válce, a tak čím je válec menší, tím jsou tepelné poměry horší. Ale my chceme vyrábět motory menší než jeden milimetr. Jak na to?

Nejdříve by nás asi napadlo nějak snížit onen kritický rozměr plamene. To je možné pomocí katalyzátorů usnadňujících hoření nebo volbou jiného paliva. Nese to s sebou problémy, jelikož katalyzátor prodražuje provoz a mohl by poškozovat jemný mechanizmus mikromotoru. Další možností je dobrá tepelná izolace motoru. Zde narážíme na materiálová omezení. Křemík, jeho oxid a další používané keramické materiály snesou teploty vyšší než 1000 °C, což je více než u oceli a hliníku používaných v běžných spalovacích motorech, ale nejsou dostatečné pro to, aby se motor nezničil při odvodu tepla pouze prostřednictvím spalin (žádné nebo malé chlazení). Zbývá vykašlat se na klasické hoření zapálené jiskřivou svíčkou a zkusit něco jiného – podobného ději v dieselovém motoru.

K zapálení a výbuchu dojde velkým stlačením extrémně chudé směsi (hodně vzduchu – málo paliva). K zažehnutí dojde na mnoha místech zároveň a výbuch, spíše než hoření, proběhne velmi rychle. Výhodou je, že takto jsme schopni spálit v podstatě jakékoliv palivo bez podstatné změny v konstrukci motoru.

Pístový mikromotor

Drážkovaný válec a píst mikromotoru
Credit: Birmingham University

Pístovými mikro a mini-motory různých konstrukcí se zabývají vědci na několika univerzitách ve světě. Jako nejperspektivnější se jeví konstrukce s volnými písty nespojenými s žádnou ojnicí a hřídelí. Výkon takového motoru se řídí nastavením kompresního poměru (sací objem/spalovací objem). Fungují v podstatě jako kompresor vzduchu (stlačuje se na opačné straně pístu než probíhá spalování), který následně pohání dynamo generující elektrické napětí nebo rovnou pohání jakékoliv mechanické ústrojí. Konstrukci, která je principiálně identická s klasickými spalovacími motory avšak s hranatým drážkovaný válcem i pístem, se dosud nepodařilo ve stísněných podmínkách přinutit něco spalovat (větší spalují vodík, metan a benzín), ale lze ji pohánět stlačeným plynem, což může být docela významné, když vezmeme v úvahu, že motor s volnými písty generuje stlačený vzduch. Písty nejsou hranaté pro nic za nic, ale proto, že ve velmi malém měřítku jsme schopni s dostatečnou přesností vyrábět pouze metodou fotolitografie, což je nanášení rovinných vrstev různých materiálů, a tak bychom válcový tvar vyrobit nemohli. Musíme s spokojit s hranatým, i když je méně výhodný opět z pohledu poměru plocha-objem.

Vysokootáčková turbína

Kompresor vysokootáčkové turbíny
Credit: Alan Epstein

Vysokootáčková turbína je nejvhodnější kandidát rozšíření, protože nabízí nejlepší poměr výkonu ku hmotnosti, neřeší problémy se zážehem a vibrace. Informoval o ní před více než rokem TH blog, kde je však mylně stavěna jako alternativa k palivovým článkům. Pro ně v současnosti nepředstavuje konkurenci, protože neřeší nízkou účinnost spalovacích motorů obecně, ale pouze dostupnost vysokého výkonu při malých rozměrech a hmotnosti. Mikroturbína precizně vyrobená fotolitografií vyniká neuvěřitelným milionem otáček za minutu, vnějším průměrem kolem jednoho centimetru a výškou asi tři milimetry. Nevýhodou je, že díky významnějšímu vlivu tření mezi vzduchem a rotorem při malých rozměrech má turbína relativně malý kompresní poměr na vstupu (3 až 4) oproti velkým turbínám (kde je 4 až 8), a tudíž účinnost je tak nižší. Ale co bychom chtěli po miniaturním jednostupňovém kompresoru. Ještě podotknu, že zde jsme schopni fotolitografií vyrobit "kulatou" turbínu proto, že je nízká, a tak nanášíme a odleptáváme vrstvy kruhového tvaru.

Wankelův motor

Rotační píst Wankelova mikromotoru
Credit: Berkley University

V autech a motocyklech občas s problémy používaný Wankelův motor se také dočkal miniaturizace. Motor s rotačním pístem o průměru asi 1 cm dosáhnul výkonu 4 W. Cílem vědců je vytvořit motor s jednomilimetrovým písem a výkonem 26 mW při 40 tisících otáčkách za minutu. Bohužel se vědci nezmiňují, zda jim způsobují problémy netěsnosti na hranách pístu, jako u velkých wankelů nebo se potýkají s jinými problémy.

Vlastnosti v praxi

Každého hned napadne, zda bude možné motory používat k napájení osobní elektroniky, když produkují horké spaliny a zejména oxid uhličitý. Obavy jsou zbytečné. Při uvedení do masové výroby určitě bude vyřešeno chlazení spalin tak, aby nemohly způsobit popáleniny nebo poškodit oděv. Zůstane-li výkon pod hranicí 10 W, bude produkce CO₂ srovnatelná s lidským dýcháním – tedy nic kritického do té doby, než mikromotor nebude mít každý v přecpaném autobuse.

Mají lepší energetickou účinnost akumulátory nebo mikromotory? Samy o sobě jsou s přibližně 80 % lepší akumulátory. Účinnost mikromotorů se pohybuje od 10 do 20 % a u přeměny mechanické energie na elektrickou můžeme počítat s 75 %; dohromady zhruba 10 %. Ovšem akumulátory se musí nabít a účinnost výroby elektřiny z fosilních paliv je asi 20 %. Efektivita využívání energetických zdrojů je srovnatelná. Mikromotory mají značnou výhodu tam, kde potřebujeme přímo mechanickou energii. Ale výhody jako okamžité "dobití" dolitím paliva a vyšší výkon jsou přesvědčivě na straně malých spalovacích motorů.

Utajený nebo nepovedený výzkum?

Všechny mikromotry mají něco společného. Na jejich financování se podílí vojenská výzkumná agentura DARPA a dostupné informace končí na bodě, že se podařilo otestovat větší model a vědci přistupují k realizaci pravého mikromotoru. Může to mít více důvodů. Buď se miniaturizace zdařila a armáda další vývoj převzala pod svá křídla, nebo se nezdařila a vědci se o tom z pochopitelných důvodů veřejně nešíří. V každém případě krok od "mini" k "mikro" vyžaduje to klíčové know-how, za které se platí miliony a to se nevystavuje na webu.

Dokážete si jistě představit, že vojáci vybavení lehkým výkonným zdrojem energie mají ohromnou výhodou před těmi, kteří s sebou musí vláčet těžké akumulátory. Moderní bojové vybavení pěšáků má stále větší spotřebu energie, ať už jde o komunikační zařízení, navigaci nebo pokročilé zobrazovací systémy pro noční či jinak upravené vidění. Důvody k utajení zde evidentně jsou.

Budoucnost osobních zdrojů energie

Dnes to vypadá tak, že v dohledné budoucnosti si budou konkurovat akumulátory, mikromotory a možná radioizotopové články. Palivové články nejspíš zůstanou doménou vyšších výkonů jako dobrá varianta pro pohon automobilů nebo zařízení pro ukládání sluneční či větrné energie. Každopádně se těším na dobu, kdy dobíjení elektroniky bude sváteční událostí probíhající jednou za měsíc.

Další informace

• Micro-engines (11. 1. 2006) – Vědci z Cambridge zkoumají pístový spalovací motor
• Detailní studie spalovací mikroturbíny (PDF 1,48 MB)
• Micro-engines to power next-gen PDAs, PCs, phones (19. 6.2003) – mikromotory pro pohon příštích PDA, PC, telefonů