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MEMS - Microgasturbine, was wurde daraus?

18 Beiträge, Schlüsselwörter: Microgasturbine
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nocheinPoet
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MEMS - Microgasturbine, was wurde daraus?

08.03.2016 um 10:05
Vor nun schon über 10 Jahren gab es eine sehr interessante Entwicklung von möglichst kleinen Motoren und Turbinen zur Energieerzeugung. Man nannte das "Power on a Chip" und klang wirklich sehr vielversprechend, hier mal ein paar Links dazu:

https://www.technologyreview.com/s/403291/power-on-a-chip/ (2004)
http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/34803.pdf
http://thefutureofthings.com/3063-engine-on-a-chip/

Mal zwei Artikel in deutsch dazu:

http://www.heise.de/tr/downloads/08/4/6/3/Tag-Referenz_Syntax_.pdf
http://www.welt.de/print-welt/article422312/Leistungsstarke-Mini-Turbinen-fuer-den-Laptop.html


Zentrale Figur bei der Entwicklung war/ist Alan Epstein, konkret wurde damals schon eine funktionierende Minigastrubine einwickelt, welche bis zu 25 Watt an Leistung produzieren konnte und das bei einer wirklich sehr kompakten Bauweise:

next rocket3 nov230

micro-turbine-engine4

Es wurde von bis zu 20 kW/kg gesprochen, was wirkliche sehr gewaltig ist, wenn einzelne Chips zu Clustern verbunden werden.

Man stelle sich mal vor, wie groß nun ein Antriebsmotor für ein PKW dann noch wäre, und der braucht sicher nicht 20kW.

Meine Idee ist mehr eine andere Richtung, ich fände das für Drohnen und Oktokopter

oktokopter

sehr interessant.

Nur hört man einfach nicht mehr wirklich etwas darüber, woran mag das nur liegen? Denn generell wäre das doch auch was für Elektrofahrzeuge, gut es wären dann keine echten mehr, aber der Motor wiegt ja nun nicht wenig, mit Clustern aus Miniturbinen welche nur Treibstoff brauchen und Strom erzeugen könnte man da sicher interessante Dinge basteln. Solche Einheiten könnten genormt werden, wären sehr klein und könnten dann recht leicht gewechselt und ausgetauscht werden.

Was meint Ihr?


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08.03.2016 um 20:04
Interessant sicher, aber ohne genauer Daten .... ich denke es ist halt fraglich
(jetzt mal gerade hinsichtlich Drohen), ob eine solche Turbine + "Gastank"
weniger wiegt als ein Li-Akku, bei gleichem Energiegehalt.


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08.03.2016 um 20:32
nocheinPoet schrieb:Nur hört man einfach nicht mehr wirklich etwas darüber, woran mag das nur liegen?
entweder man arbeitet an der optimierung dessen hinsichtlich effizienz, design sowie materialeigenschaften -> dauerhaltbarkeit & fertigungsprozess, oder man hat es ad acta gelegt aus genau diesen gründen.

das pdf von intechopen geht unter punkt 10 genau auf diese probleme ein:
->
"a. The thermodynamic cycle
It is a “standard” Brayton cycle, usually adopted in large scale turbogas. With the exception
of the industrial cycles, for constructive reasons, the compression ratio is extremely low in
this UMGT (p2/p1 ≈ 2), and therefore the total efficiency of the machine is corresponding
low (7-8%). Increase of the compression ratio, recovery of the heat of the gas are possible
modifications under investigation, to increase such efficiency: but such upgrading appear
difficult to implement on an UMGT device.

b. The fuel choice
The fuel used, suggested, chosen for all prototype is a liquid hydrocarbon (pentane-butane
or similar). The kerosene use or other jet-fuel appears perfectly compatible. For the
operational prototype, the possibility is being studied to use methane or hydrogen, but this
last one generates problems of tank design (high pressure, low power density).

c. Design problems
The analysis of existing prototypes indicates as the main design problems that can be
previewed to this point are the following ones:
1. combustion chamber: low residence times (flammability threshold); mixing device;
resistance to the high temperatures;
2. bearings: reliability, duration (to the highest rotational speed);
3. rotors: radial and bending/torsion instability, resistance to the high temperatures;
4. electric generators: practical feasibility and reliability, efficiency problems;
5. controls devices: stability, reliability;
6. thermo-fluid dynamic analysis: reliability of the design procedures, based on
experiences achieved exclusively on large scale devices. The first simulations have
evidenced the necessity to adopt scale factors in the turbomachines design.

d. Technological and manufacturing problems
They are generally correlated to the availability of opportune high resistance materials (high
thermo mechanical stresses) as well as the combustion chamber, turbine, regenerator, ecc.
And to the productive technologies. While such problems will not have great influence on
the realization of the prototypes, an engineering study to pass “to the productive” part
(post-prototypal phase) will be necessary. Finally, the economic impact of these devices will
be dependent on the performance levels and the manufacturing costs, both of which have
yet to be proven. It is certainly possible, however, that UMGTs may, one day, be competitive
with conventional machines in a cost per installed kilowatt. Even at much higher costs, they
will be very useful as compact power sources for portable electronics, equipment, and small
vehicles."


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08.03.2016 um 20:32
Hier gibt es noch paar Infos:
Der Herr Prof ist in Rente.
http://aeroastro.mit.edu/faculty-research/faculty-list/alan-h-epstein

Aktuelle(re) Studie zur Anwendungen und Alternativen:
http://cdn.intechopen.com/pdfs/28485.pdf

BBC Infos:
http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/5386004.stm


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MEMS - Microgasturbine, was wurde daraus?

08.03.2016 um 21:14
ArnoNyhm schrieb:weniger wiegt als ein Li-Akku, bei gleichem Energiegehalt.
wenn man den max. theor. energiegehalt einer li-ion batterie (~1500wh/kg) dem des h2 gegenübersetzt (~33000wh/kg), so liegt ein 22-facher "energievorteil" pro h2 an.
da kann die effizienz noch so lausig sein, es wäre eine attraktive alternative dazu.


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08.03.2016 um 21:31
@Corellian

Das ist auch ein Punkt, mir fällt sonst nur noch eine Atombatterie ein. Um Drohnen zu versorgen, auch einen Oktokopter wäre das sehr praktisch, oder den Variokopter, der fliegt ja rein elektrisch:

Youtube: e-volo VC200- Volocopter 2013 design

Nebenbei, Herzschrittmacher wurden früher eine Zeit lang tatsächlich mit einer Atombatterie versorgt.

Bisher fehlt es noch an wirklich guten Energiespeichern, also kein leicht mit hoher Energiedichte.


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08.03.2016 um 23:31
wenn man den max. theor. energiegehalt einer li-ion batterie (~1500wh/kg) dem des h2 gegenübersetzt (~33000wh/kg), so liegt ein 22-facher "energievorteil" pro h2 an.
Oh das hört sich dann aber sehr gut an, ich wäre jetzt spontan vom Gegenteil ausgegangen.
Hauptsächlich weil man von den Dingern laut @nocheinPoet nichts mehr hört.


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09.03.2016 um 00:32
@ArnoNyhm

Schwer da Infos zu bekommen, die Probleme waren 2006 bekannt, aber in 10 Jahren hat sich in der Materialforschung sehr viel getan und eben nicht nur in der. Ich halte da MEMS für eine mögliche Revolution, auf der Höhe der Computer, Genetik oder der Dampfmaschine um mal weiter nach vorne zu greifen.

Nanotechnologie und eben ganz winzig kleine Maschinen werden die Welt verändern und dafür bedarf es natürlich auch entsprechend kleiner Antriebe.

Kann mir nun nicht wirklich vorstellen, dass sich hier das Militär die Technik ganz unter den Nagel gerissen hat, hingegen aber schon, dass es da im geheimen forscht und weiterentwickelt. Denn kleine Drohnen die lange fliegen können sind da bestimmt gefragt. Darum halte ich es auch nicht für ausgeschlossen, dass da auch mit Atombatterien gearbeitet wird. Ist nun von 2002:
Amerikanische Forscher haben eine winzige Atombatterie entwickelt, die mindestens fünfzig Jahre lang Energie liefern kann. Sie könnte einmal Mikromessgeräte oder Herzschrittmacher mit Strom versorgen, meldet die Cornell-Universität in Ithaca.

Energiequelle ist das radioaktive Material Nickel 63, das bei seinem Zerfall Elektronen abstrahlt. Ein Kupferstreifen fängt diese geladenen Teilchen ein und lädt sich dabei negativ auf. Das Zerfallsprodukt des Nickels hingegen ist positiv geladen, da es Elektronen abgegeben hat. Da sich Plus und Minus anziehen, wird der Kupferstreifen zum Nickelmaterial gezogen. Bei ihrer Berührung entladen sich die beiden Metalle und der Kupferstreifen schwingt in seine Ausgangslage zurück. Dort fängt er wieder neue Elektronen ein und das Spiel beginnt von neuem.

Der hin und her schwingende Kupferstreifen kann Pumpen oder winzige Räderwerke direkt antreiben oder über Minigeneratoren Strom erzeugen ? jahrzehntelang, wie die Wissenschaftler um den Elektronik-Professor Amil Lal ausrechneten: Auch nach fünfzig Jahren sei noch genug Nickel 63 übrig, um die Bewegung in Gang zu halten. Das Material hat eine Halbwertszeit von über hundert Jahren. Das heißt, nach dieser Zeit ist erst die Hälfte der ursprünglichen Menge zerfallen.

Der Prototyp, den Lal und seine Kollegen nun vorstellten, ist zwar noch mehr als zwei Zentimeter lang, doch könne die Atombatterie auf weniger als einen Millimeter verkleinert werden, versichern die Ingenieure. Gefährlich sei das eingesetzte radioaktive Material selbst bei medizinischen Anwendungen nicht, da sich die abgegebene Elektronenstrahlung leicht abschirmen lässt und im menschlichen Organismus keinen Schaden anrichten kann.
http://www.wissenschaft.de/technik-kommunikation/technik/-/journal_content/56/12054/1161898/Mini-Atombatterie-liefert-f%...

Was daraus wohl auch geworden ist ...


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09.03.2016 um 09:34
@nocheinPoet

In so einem fall hilft es immer nach der Originalpublikation zu suchen und dann zu schauen wer das Originalpaper zitiert hat.

Originalpaper:
http://diyhpl.us/~bryan/papers2/mems/Millimeter-scale,%20MEMS%20gas%20turbine%20engines.pdf
http://gasturbinespower.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1421750

Dies wurde (laut Google Scholar 193x bzw. 270x zitiert), hier alle Paper die das Original zitiert haben:
https://scholar.google.com/scholar?cites=15348408471285000216&as_sdt=2005&sciodt=0,5&hl=en&num=20

Ein erst kürzlich veröffentlichtes Paper von Dezember 2015:
http://www.inase.org/library/2015/zakynthos/bypaper/CIMC/CIMC-04.pdf

Was man nicht unterschätzen darf ist die Zeitdazuer von einem Prototypen der an der Uni gebaut wurde zu einem kommerziellen Serienmodell. An der Uni wird publiziert sobald ein Prototyp einmal funktioniert hat, auch wenn 10 Versuche davor und danach gescheitert sind. Von da an ist es aber noch ein weiter Weg zu einem kommerziellen Produkt da es noch viele Schwierigkeiten gibt wie: Wie groß ist der ABsatzmarkt, Wie kann verlässlich produziert werden (Die Dinger müssen da dann auch funktionieren), Wie kann massentauglich industriell produziert werden? etc.

Die Atombatterien haben da ein ganz anderes Problem, "Stichwort Marketing": z.B.: Wer will sich schon ein radioaktiven Strahler ans Herz implantieren lassen?
Aber auch wenn man es nur ins Handy einbaut; keiner will eine radioaktive Batterie in seiner Hosentasche rumtragen; auch wenn es bei manchen hilfreich wäre ;-)
P.S.: Bei Implantaten ist es eh schwierig, weil die Zulassungsphasen für medizinische Sachen extrem lange dauern können.


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09.03.2016 um 09:42
@nocheinPoet

Auch ein "cooles" Projekt ist der 2 stufige Mikrokühler der auf 30 K runterkühlt auf einer Fläche von ~einem halben cm^2:
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/23/6/065022/pdf

Hier ist die gesamte Dissertation:
http://doc.utwente.nl/83618/

Das Problem bei der ganzen Sache: Die Kühlerspitze ist handlich allerdings braucht man Wasserstoff und Stickstoff mit je 80bar. Das macht das ganze wieder extrem unhandlich und erstmal nicht kommerziell verfügbar.


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mayday
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09.03.2016 um 09:48
Der Volocopter oben wie @nocheinPoet verlinkt, hat leider in DE keine Zulassung gekriegt. Es lag nicht am Konzept, das hat funktioniert, sicher war er auch, es lag an den Vorschrifen/Behörden. Ich weiss das weil ein Deutscher der bei uns arbeitet die Sache verfolgt hat und ich mit ihm darüber plauderte. Sie wollten den als "Experimentell" zulassen..die Flugbehörden sind einfach noch nicht so weit..solche Fluggeräte im Copter Stil, elektrisch flybywire mit Multimoren, wird aber irgendwann kommen, da bin ich mir sicher. In den USA würde das Ding wohl schon amtlich genehmigt fliegen, irgendwo auf ner Farm ;)


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mayday
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09.03.2016 um 09:59
Der Volo hatte allerdings auch ein Problem..die Akkukapazität. Das Voloteam sprach von über 30min Flugzeug, effektiv waren es aber nur knapp 15min. Die höheren Angaben basierten auf besseren Akkus, die für künftig eingerechnet wurden. Die kurze Flugdauer und der Fallschirm oben (normalerweise lässt man grosse Objekte nicht an Fallschirmen von Himmel "regnen", da hat der Beamte ein Problem), könnte auch ein Grund sein, warum es keine Zulassung gab.


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09.03.2016 um 10:00
Zu den Batterien:

Die Technik wird Betavoltaic genannt:
Wikipedia: Betavoltaik

Da wird auch heute noch darüber publiziert:
https://scholar.google.com/scholar?q=betavoltaic+battery&btnG=&hl=en&scisbd=1&num=20&as_sdt=0%2C5

Erst sehr kürzlich publiziert:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1738573316000206

Hab gerade geshen da gibt es auch was Kommerzielles auf der Basis von Tritium:
http://www.citylabs.net/index.php?option=com_wrapper&view=wrapper&Itemid=20


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mayday
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09.03.2016 um 10:19
mojorisin schrieb:Hab gerade geshen da gibt es auch was Kommerzielles auf der Basis von Tritium:
Vorteil gegenüber einer Batterie scheint die lange "Haltbarkeit" zu sein (20 Jahre), "50-350 nanoAmps" ist natürlich sehr wenig und grenzt den Einsatzbereich stark sein.

Die Zerfallsrate liesse sich sicherlich massiv steigern und damit die Leistung, nur setzt das ja nicht nur Elektronen frei sondern auch Neutronen..also wird man sich womöglich Gedanken machen müssen mit der Abschirmung.


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Rho-ny-theta
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10.03.2016 um 09:30
@nocheinPoet

Beim Zusammenpacken von etlichen solchen Mikroteilen kriegst du mit Sicherheit Probleme, spontan denke ich v.A. an Hitzestau - die Thermodynamik einer einzelnen Turbine ist nicht einfach hochskalierbar auf einen ganzen Block aus bspw. 100 Elementen. Treibstoffzuleitung stelle ich mir ab einer gewissen Blockgröße auch knifflig vor. Kraftabnahme dito, gleicher Grund, aus dem man keine 80-Zylinder-Fahrzeuge baut.


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10.03.2016 um 11:00
Rho-ny-theta schrieb:spontan denke ich v.A. an Hitzestau
angenommen, die turbine generiert 25w leistung bei einer effizienz von 10%, so haben wir eine wärmeleistung von 225w(!). und das ist sicherlich ein kritischer aspekt bei solch einer miniatisierung.


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nocheinPoet
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10.03.2016 um 11:22
@Corellian

Die Wärme kann man ja auch noch nutzen, auch dafür gibt es Wege ...


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10.03.2016 um 11:32
@nocheinPoet
klar, über ein peltier-element (->seebeck-effekt) kann man diese wärmeleistung bis zu einem grad rekuperieren. nur die implementation dessen, zusammen mit der mems-turbine inkl. dem generator zu einer funktionierenden einheit ist die nächste hürde.

bei dem von @mojorisin verlinkten pdf ( http://diyhpl.us/~bryan/papers2/mems/Millimeter-scale,%20MEMS%20gas%20turbine%20engines.pdf ) wird auf seite 3 (links) darauf hingewisen:
->
"Calculations suggest that it might be possible to
improve the specific work, fuel consumption, and air flow rate
in later designs with recuperators to realize microengines with
power outputs of as much as 50-100 W, power specific fuel
consumption of 0.3-0.4 g/w-hr, and thrust-to-weight ratios of
100:1."


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