توان زیاد از ماشین های کوچک

ریچارد فاینمن در دو تا از سخنرانی هایش اعتراف کرده که موتورها و ماشین های ریز برای او بسیار جذابند، هرچند معلوم نیست چه استفاده‌ای جز اسباب‌بازی برای بچه‌ها دارند. اما پیشرفت در فن‌آوری قطعات متحرک کوچک کاربردهایی جز اسباب‌‌بازی را هم پیشنهاد می‌کند. این حرکت در دهه‌های پیش در آزمایشگاه های بل آغاز شده است و امروزه چرخ‌دنده‌های ریز، موتورهای ریز سیلیسیمی الکتروستاتیک، ابزارهای ریز انتقال گرما، ابزارهای اپتیکی ریز تعیین موقعیت و واکنشگاه های شیمیایی ریز ساخته شده‌اند.
محاسبات ابعادی دقیقی که در چند سال گذشته انجام شده است نشان می‌دهدکه ماشین های چرخان سریع در مقیاس ریز آیندة نویدبخشی دارند. توربین های گازی بزرگ معمولی، که مثلاً در مولدهای الکتریکی به کار می‌روند، شامل یک متراکم‌کننده، یک اتاقک احتراق و یک توربینند. توربین با گازهای حاصل از احتراق به کار می‌افتد و به نوبة خود متراکم‌کننده را به کار می‌اندازد. آنتالپی اضافی ای که در گازهای سوخته وجود دارد توان موتور را تأمین می‌کند. توربین های گازی بزرگ، با ورودی هوایی به قطر حدوداً یک متر، توانی از مرتبة MW 100 تولید می‌کنند. ماشینی از همین نوع، اما در ابعاد میلی‌متر، چند ده وات توان تولید می‌کند، به شرط آن که چگالی توان ماشین کوچک را بتوان در حد قابل قبول تأمین کرد. برای این کار سه نوع فن‌آوری در مقیاس ریز لازم است: فن‌آوری ماشین های چرخان، اتاقک های احتراق، و مواد مقاوم در برابر گرما.
کلید دست یابی به چگالی توان زیاد در ماشین های چرخان، سرعت محیطی زیاد است. اما هرچه سرعت محیطی زیادتر شود تنش مرکز گریز هم بیشتر می‌شود. در عمل، به خاطر محدودیت نسبت مقاومت به چگالی آلیاژهای فلزی مقاوم در برابر گرما، سرعت محیطی مجاز به چند صد متر بر ثانیه محدود می‌شود. اما نقص های ابزارهای ریزکم است و چگالی چنین ابزارهایی تنها 50% چگالی آلیاژهای معمول (با مقاومت تنشی یکسان) است. پس سرعت محیطی در این ابزارها را می‌توان بیشتر کرد، زیرا نسبت مقاومت به چگالی آن ها بیشتر است. سرعت چرخش زیاد به اصطکاک کم هم نیاز دارد. از آنجا که حجم و در نتیجه جرم، با طول به توان سه و سطح با طول به توان دو متناسب است، نسبت مساحت به وزن برای ماشین های کوچک بزرگ است.در نتیجه بالشتک های هوایی کوچک در موتورهای ریز به خوبی می‌توانند اجزای موتور را تحمل کنند. پژوهش های اولیه در این زمینه بسیار امیدبخش است.
مسئلة اتاقک های سوخت در ماشین های ریز، در نظر اول چالش برانگیز به نظر می‌رسد، زیرا زمان واکنش های شیمیایی به اندازة اتاقک بستگی ندارد. اما زمان لازم برای مخلوط شدن هوا و سوخت جزء مهمی از زمان احتراق در ماشین های معمولی است، و این زمان مخلوط شدن با اندازة ماشین مقیاس می‌شود. شکل توربین کوچکی به قطر mm 4 از جنس سیلیسیم را نشان می‌دهد. چنین توربینی را می‌توان در مولد الکتریکی کوچکی به حجم کمتر از cm31 به کار برد.چنین مولدی W50 توان الکتریکی تحویل می‌دهد. چگالی انرژی سوخت های هیدروکربنی آن‌قدر زیاد است که چنین مولدهایی می‌توانند 10 تا 30 برابر بیش از پیشرفته‌ترین باتری های امروزی (در همان اندازه) انرژی تحویل دهند.
با فرض اینکه توان بر شار هوای ورودی ثابت باشد، چون شار هوا با مجذور طول مولد متناسب است و جرم مولد با مکعب طول آن، نسبت توان به وزن مولدها به طور خطی با کاهش ابعاد مولد افزایش می‌یابد. محاسبات دقیق تر نشان می‌دهند که اوضاع واقعاً به این خوبی نیست و نسبت توان به وزن ماشین های در ابعاد میلی‌متر تقریباً 10 برابر ماشین های معمولی است. این موضوع ممکن است اثر عمیقی برای صنایع هوایی داشته باشد، هرچند بالا بردن یک هواپیمای معمولی با چنین موتورهایی مستلزم استفاده از تعداد بسیار زیادی از این موتورهاست.