Ein Power-Geek, der Sachen herstellt

Verrückt, schrullig, enthusiastisch. Der persönliche Stil des Maschinenbauprofessors Alexander Slocum lässt sich auf viele Arten beschreiben. Und er umarmt sie alle. Als Lehrer und Forscher nutzt er seinen Flipper-ähnlichen Fokus und seine Leidenschaft für den Maschinenbau, um Studenten zu inspirieren und einige der größten Herausforderungen in der Energie-, Medizin- und Feinwerktechnik anzugehen. Ich würde wahrscheinlich als ADHS++ eingestuft werden, weil sich mein Verstand so schnell zwischen so vielen verschiedenen Dingen bewegt, sagt er. Aber ich habe auch die Disziplin, mich stundenlang zu konzentrieren, wenn die richtige Idee es erfordert.

Professor Slocum zeigte Präsident Obama 2009 einen groben Prototyp eines Systems zur Speicherung von Windenergie in tiefem Ozeanwasser.

Slocum ist ein selbsternannter Gizmologe und ein Liebhaber aller Arten von Maschinen, von riesigen Windturbinentürmen bis hin zu Geräten, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen lassen. Mit seiner bunten Garderobe ist er auf dem Campus eine erkennbare Figur, und er nimmt aktiv am Studentenleben teil und kocht oft Pasta-Dinner für Studienanfänger in der Experimental Study Group. Als Professor verkörpert er das Motto des MIT: Verstand und Hand , oder Verstand und Hand, indem sie den Schülern beibringen, intellektuelle Forschung mit praktischer Technik und Design zu kombinieren.

Es ist jedoch seine Forschung zu erneuerbaren Energien, die in letzter Zeit außerhalb des MIT am meisten Aufmerksamkeit erregt hat. In diesem Frühjahr war Slocum Co-Autor eines Artikels in Verfahren des IEEE Beschreibung eines Energiespeichersystems im Versorgungsmaßstab, das auf großen Unterwasserbetonkugeln und schwimmenden Windturbinen basiert. Als Barack Obama 2009 das MIT besuchte, um eine Rede über Energie zu halten, demonstrierte Slocum in einem seiner typischen Hawaiihemden dem Präsidenten das Konzept mit einer Spielzeug-Windturbine und großen mit Sand und Wasser gefüllten Gläsern. Seitdem sind die Arbeiten so weit fortgeschritten, dass Slocum und Kollegen mit einem großen Ingenieur- und Bauunternehmen Gespräche darüber führten, wie die massiven Strukturen möglicherweise hergestellt werden könnten. Slocum schätzt, dass die Kommerzialisierung der Idee, die er Ocean Renewable Energy System nennt, fünf bis zehn Jahre dauern würde.

Verwendung eines Laserinterferometers um 1987.

Schwimmende Windturbinen würden mit Kabeln an einem Netz von 20.000 Tonnen schweren Kugeln mit einem Durchmesser von 25 bis 30 Metern oder etwa der Größe der Kuppel am MIT festgemacht. Um überschüssige Energie zu speichern, die nicht ins Netz eingespeist wird, würden die Turbinen Pumpen betreiben, um das Wasser aus den Kugeln zu evakuieren. Wenn Strom benötigt wurde, floss Wasser in die Kugeln, wodurch die Pumpen rückwärts liefen und als Generatoren fungierten.

Die Entwicklung kostengünstiger Möglichkeiten zur Speicherung großer Energiemengen im Stromnetz würde es Windparks und Solaranlagen, die normalerweise intermittierende Quellen sind, ermöglichen, Strom nach Bedarf bereitzustellen, wie es heute fossile Brennstoffe und Kernkraftwerke tun. Das Design von Slocum ist eine Wendung der konventionellen Pumpwasserkraft, der derzeit kostengünstigsten und am weitesten verbreiteten Speichermethode. Die Pumpwasserkraft-Technologie leitet Wasser bergauf zu einem Stausee und gibt es in Spitzenzeiten zur Stromerzeugung ab. Anstatt sich auf die Schwerkraft zu verlassen, indem das Wasser in einem Bergsee gespeichert wird, nutzt das Konzept von Slocum den Wasserdruck in Hunderten von Metern Meerestiefe, um den Stromgenerator anzutreiben. Die Betonkugeln, die das Wasser halten, dienen auch der Verankerung der Turbinen.

Wenn es funktioniert, könnten die Auswirkungen dramatisch sein. Der Wind über tiefen Gewässern stellt eine riesige, aber noch weitgehend unerschlossene Ressource dar. Das Papier von Slocum schätzt, dass 1.000 Turbinen, die etwa 30 bis 50 Kilometer vor der Küste außer Sichtweite mit Ankerkugeln in 600 Metern Tiefe platziert sind, so viel Strom liefern könnten wie ein Atomkraftwerk. Heutige Pumpwasserkraftwerke liefern typischerweise Hunderte Megawatt Leistung für sechs bis zehn Stunden. Obwohl der Einsatz von Turbinen in tiefen Gewässern teurer wäre, als sie in Küstennähe zu platzieren, schätzen Slocum und seine Kollegen, dass das Ocean Renewable Energy System preislich mit Pumpwasserkraft konkurrenzfähig sein könnte – und ein groß angelegter Einsatz mit 1.000 Turbinen könnte bis zu fünf Gigawatt Leistung für bis zu 12 Stunden. Die Forscher haben bereits ein Prototypsystem mit einem 10 Meter hohen Turm und serienmäßigen Pumpen und anderen Komponenten gebaut.

Die Speicherung ist eines der härtesten Probleme der Energiewirtschaft und hat deshalb Tausende von Wissenschaftlern und Unternehmern angezogen. Obwohl noch ein Forschungsprojekt, sei das Ocean Renewable Energy System beeindruckend gut durchdacht, sagt Haresh Kamath, Programmleiter für Energiespeicherung am Electric Power Research Institute (EPRI). Bei diesem Konzept handelt es sich eher um eine technische Herausforderung als um eine werkstoff- oder grundlagenwissenschaftliche Herausforderung, sagt er.

Das Projekt zeigt die Affinität von Slocum für symbiotisches Design oder die gleichzeitige Lösung mehrerer Probleme. Neben der Energiespeicherung und Ankerfunktion sollen die Kugeln aus Beton bestehen, der erhebliche Mengen an Flugasche, einem Abfallprodukt von Kohlekraftwerken, enthalten kann. Das System könnte auch lokalen Ökosystemen zugute kommen, indem es das Wachstum des am Boden lebenden Lebens fördert. Und in einer Rede vor japanischen Spitzenbeamten argumentierte Slocum, dass ein Tiefsee-Windpark in der Nähe des stillgelegten Atomkraftwerks Fukushima neue Arbeitsplätze für lokale Fischer schaffen könnte, die dort wegen der Strahlung nicht mehr fischen können. Sie könnten helfen, die Systeme zu installieren, Wartungsarbeiten durchzuführen und die Auswirkungen auf das Ökosystem zu überwachen.

Professor Slocum beendete die Ironman U.S.-Meisterschaft 2012 in 13 Stunden, 7 Minuten und 41 Sekunden.

In einer separaten Forschungsarbeit leitete Slocum den Entwurf eines Systems, in dem die Wärme von Solarkonzentratoren in großen Becken mit flüssigem Salz gespeichert wird. Eine Reihe von Großanlagen mit konzentrierter Solarenergie verwenden bereits geschmolzenes Salz; Es speichert die Sonnenwärme und wandelt über einen Wärmetauscher Wasser in Dampf um, um in einer konventionellen Dampfturbine Strom zu erzeugen. In diesen Systemen wird das Salz erhitzt, während es durch Rohre zirkuliert, aber Slocum schlägt eine andere Methode vor. Basierend auf Forschungen aus den 1970er Jahren würde seine Technologie Sonnenlicht direkt in eine große Menge geschmolzenes Salz strahlen und das Netzwerk von Rohren und Pumpen beseitigen, die normalerweise die Schwachstellen traditioneller Solaranlagen sind.

Die Wind- und Solarspeicher von Slocum stehen vor enormen Hürden, bevor sie über die Design- und Kleinprototypenphase hinausgehen können. Grundsätzlich werden die schwimmenden Turbinen, die das Ocean Renewable Energy System zum Erfassen von Wind über tiefen Gewässern benötigt, noch getestet und müssen noch kommerzialisiert werden. Und es ist notorisch schwierig, die Wirtschaftlichkeit der Energiespeicherung ohne reale Demonstrationssysteme zu modellieren, die schwer zu finanzieren sein können, sagt Kamath von EPRI.

Slocum lässt sich nicht entmutigen. Natürlich gebe es viele Dinge zu klären, sagt er, aber große Herausforderungen wie ein Flug zum Mond erfordern jahrelange Beharrlichkeit und paralleles Denken oder die gleichzeitige Bearbeitung vieler Probleme. Die schwimmenden Windkraftanlagen zum Beispiel werden bereits von anderen entwickelt; eine mehrstündige Unterwasser-Energiespeicherung könnte dazu beitragen, ihre Einführung zu beschleunigen. Wenn man zwei Probleme gleichzeitig hat, die voneinander abhängig sind, katalysieren sie sich gegenseitig, sagt er. Ich gehe davon aus, dass Sie am Ende oft eine bessere Lösung für beide finden, wenn Sie sie als System betrachten.

Diese Betonung des Systemdenkens, das alles vom Produktdesign bis zur Fertigung umfasst, begleitet Slocum auch in den Unterricht. In seiner Klasse Precision Machine Design, 2.75, kommen Ärzte ins Spiel und stellen Studententeams vor spezifische Herausforderungen. Anschließend konstruieren und bauen die Studenten eine Proof-of-Concept-Maschine, die nicht nur das spezifische Problem eines Klinikers löst, sondern auch wirtschaftlich hergestellt werden kann. Wenn man über Herstellung und Bereitstellung nachdenkt [während der Entwicklung], erfindet man am Ende mehr Dinge, die bis zum Anfang zurückreichen, und man erfindet am Ende eine bessere Maschine, sagt Slocum. Seit er im Jahr 2004 medizinische Geräte in den Fokus von 2,75 gestellt hat, hat die Klasse dazu beigetragen, viele begutachtete Veröffentlichungen, etwa ein Dutzend Patentanmeldungen und einige Spin-off-Unternehmen zu generieren, wie z Ruhegeräte , ein Bostoner Startup, das Hemden mit eingebetteten Sensoren zur Schlafüberwachung herstellt.

Die Klasse ist bemerkenswert, weil sie Vorlesungen über Theorie mit praktischer Arbeit an der Herstellung von Prototypen kombiniert, sagt Tohru Yagi, ein Fulbright-Gaststipendiat vom Tokyo Institute of Technology in Japan, der das letzte Jahr in der Precision Engineering Research Group von Slocum verbracht hat ( PERG ) Labor. Was er tut, sei sehr analytisch, aber auch systematisch und auf jede Branche anwendbar, nicht nur auf den Maschinenbau, sagt er. Tatsächlich verfügt Slocum über umfangreiche Erfahrung in der Industrie und war an Spin-off-Unternehmen beteiligt, zuletzt an dem Startup Keystone Tower Systems, das eine Möglichkeit entwickelt hat, Windturbinentürme mit weniger Stahl zu geringeren Kosten herzustellen.

Slocum mit einem Utilikilt und messenden Hosenträgern hob Greg Tao '10, der gerade den 2.007-Roboterwettbewerb gewonnen hatte, im Jahr 2008.

Slocum selbst ist ein lebenslanger Tüftler, Tischler und Möbelbauer. 1978 trat er als Student dem MIT Hobby Shop, der Holz- und Metallwerkstatt des Instituts, bei und ist heute Vorsitzender des Aufsichtsausschusses. Er hat keine Angst davor, sich mit praktischer Arbeit selbst schmutzig zu machen. Der Postdoktorand Nevan Clancy Hanumara, SM '06, PhD '12, der die Klasse 2,75 mit unterrichtet, sagt, er sei Slocum einmal in einem Hotel in Chicago begegnet, wo Hanumara an einer Konferenz teilgenommen hatte, und fand den Professor in der Stadt zu einem Industriebesuch. mit Fett bedeckt. Gefragt, was passiert ist, sagte Slocum, ich muss in eine Maschine gestiegen sein.

Slocums Begeisterung für seine Arbeit färbt auf die Studenten in seinem Labor ab. Er versucht sie zu motivieren, indem er ihre eigenen Leidenschaften entfacht und ihnen Verantwortung für ihre Projekte überträgt. Solange Ihre Interessen eine gewisse Relevanz haben, eine praktische Anwendung, ist er alles dafür, sagt Doktorand und Slocum-Labormitglied Nikolai Begg '09, SM '11, ein Medizintechnik-Ingenieur, der den Lemelson-MIT Collegiate Student Prize gewonnen hat dieses Jahr. Es ist großartig, das zu tun, was Sie tun und studieren möchten. Er hat keine große persönliche Agenda. Slocum wurde im Jahr 2000 zum Professor des Jahres in Massachusetts ernannt, eine von mehreren Auszeichnungen, die er erhalten hat.

Was Slocum zu einem besonders effektiven Professor macht, ist, dass er seine Begeisterung für Technik mit Humor verbindet. Als er die langjährige Konstruktions- und Fertigungsklasse 2.007 unterrichtete, bekamen die Schüler gleich am ersten Tag eine Portion seines verspielten Stils. Als er Materialien herauszog, die für das Projekt dieses Semesters zur Verfügung standen, demonstrierte er mit seinem Körper die relative Stärke von Objekten: Er beugte sich Metallschäfte über den Hals, drückte Bleche über seinen Oberkörper und lieferte mit einem lauten Kreischen auf Holzbrettern gefälschte Karate-Koteletts . Während des abschließenden Wettbewerbs zwischen von Schülern hergestellten Robotern machte er den lebhaften Kommentar von Spiel zu Spiel, als würde er ein Wrestling-Match ausrufen, und rief Zeilen wie Hier trifft Physik auf den Teppich! Bei der Feier der Gewinner dieses geek-alicious Events, wie er es nennt, ist Slocum dafür bekannt, Schüler mit einer riesigen Umarmung zu heben oder sie für eine Siegesrunde auf seine Schultern zu heben. Und ob er in einem Hörsaal Hof hält oder eins zu eins spricht, seine Rede wird von albernen Einzeilern gespickt. (Ein Beispiel zu den Gefahren des linearen Denkens: Während wir damit beschäftigt sind, unseren Smoking zu analysieren, merken wir nicht, dass unsere Hosen brennen.) Auf die Frage nach seinem Alter witzelt Slocum: Zu jung, um sich darüber Sorgen zu machen.

Aber seine Expertise in ernsten Angelegenheiten wird auf höchstem Niveau anerkannt. Als die Bundesregierung sich bemühte, die Ölkatastrophe von Deepwater Horizon 2010 im Golf von Mexiko einzudämmen, gehörte Slocum, der während seines Studiums in Offshore-Ölbohrungen arbeitete, zu der ausgewählten Gruppe von Energieminister Steven Chu Wissenschaftliche Berater . Er spielte eine wesentliche Rolle bei der Reaktion, indem er eine Lösung entwickelte, als die Hydraulikleitungen, mit denen Ingenieure ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge steuern konnten, durchtrennt wurden. Im vergangenen Jahr wurde er nach Japan eingeladen, wo er Beamte beriet, wie die Energie aus den nach Fukushima stillgelegten Kernkraftwerken ersetzt werden könnte, indem ein Teil der Automobilproduktionskapazität des Landes für die Entwicklung von Offshore-Wind umgeleitet wird.

Im Ocean Renewable Energy System von Slocum ist eine schwimmende Turbine durch massive Betonkugeln, die auch als Energiespeicher dienen, im tiefen Wasser verankert.

Slocum ist dafür bekannt, eine große Menge an Aktivitäten – einschließlich Triathlon-Training – in seine Tage zu packen. Vor kurzem hat er jedoch eine andere Verantwortung übernommen, im Büro für Wissenschafts- und Technologiepolitik des Weißen Hauses. Als stellvertretender Direktor für fortschrittliche Fertigung wird er, wie er es nennt, ein Geek in Residence sein, der damit beauftragt ist, beim Aufbau einer Reihe von fortschrittlichen Fertigungszentren zu helfen. Die Position passt gut zu seiner Design-for-Manufacturing-Philosophie.

Im PERG-Labor betont Slocum einen multidisziplinären Ansatz und praktische Anwendbarkeit. Bei Design-Reviews erhalten Forscher Feedback von Ingenieuren in ganz anderen Bereichen als ihren eigenen, wie zum Beispiel chirurgische Instrumente, Arzneimittelherstellung, Ölförderung und Krebserkennung. Um einen besseren Einblick in die Funktionsweise der Industrie zu bekommen, hat er Labormitarbeiter auf Touren durch viele verschiedene Unternehmen geführt, darunter Produktionsstätten für die Luft- und Raumfahrt.

Als Laborleiter fördert Slocum eine kollegiale Atmosphäre, indem er Forscher auf seine 300 Hektar große Farm in New Hampshire einlädt, wo er Obst anbaut und Schafe, Alpakas und Hühner züchtet. Bei diesen geselligen Ausflügen sorgt er dafür, dass jeder einen Job hat, sei es beim Holzsammeln fürs Feuer oder bei der Truthahnjagd. Es ist wie eine Momentaufnahme seines Lebens – jeder arbeitet und hat Spaß an seiner eigenen Rolle, sagt PERG-Alumnus Daniel Codd, PhD '11, der jetzt versucht, die Finanzierung für die Kommerzialisierung des Flüssigsalz-Energiespeichersystems zu sichern, an dem er mit Slocum als gearbeitet hat ein Student. Er ist gut darin, die Leute um ihn herum dazu zu bringen, sich um etwas Größeres zu versammeln.

Greg Tao ’10, der 2008 den Robotik-Wettbewerb 2.007 gewann, bewundert Slocums Fähigkeit, sich nicht nur in so vielen intellektuellen Aktivitäten, sondern auch als Athlet hervorzuheben. Man kann viel mehr, als nur ein guter Akademiker zu sein – das verkörpert er wirklich, sagt er.

Für Slocum selbst funktioniert es anscheinend, seine Aufmerksamkeit auf viele Interessen zu verteilen: Es gibt Dutzende von Patenten, die mit seinem Namen ausgestellt oder angemeldet sind. Er könnte leicht von der akademischen Welt springen, um als leitender Wissenschaftler bei einem Technologie-Startup oder einem anderen kommerziellen Unternehmen zu arbeiten. Aber das scheint unwahrscheinlich. Seine Verbindungen zum Institut sind eng: Er hat fast sein ganzes Erwachsenenleben am MIT verbracht und seine drei Kinder – alle Söhne – haben sich als Studenten eingeschrieben (zwei haben bereits ihren Abschluss gemacht und eines ist jetzt dort). Noch wichtiger ist, dass seine Rolle es ihm ermöglicht, seinen Leidenschaften im Maschinenbaudesign nachzugehen. Alle drei Jahre versuche ich wie die Hölle, hier rauszukommen, sagt er. Aber ich komme immer wieder, weil es so viel Spaß macht.

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