probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2026-28-2-101-121probener-3884Research ArticleЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫELECTROTECHNICAL COMPLEXES AND SYSTEMSАнализ перспектив микротурбинных МЭМС-устройств в качестве высокоэнергоемких источников питанияAnalysis of the prospects of microturbine MEMS devices as high-power supply sourceshttps://orcid.org/0009-0003-4795-3503ГалиулинаА. Р.GaliulinaA. R.

Галиулина Алина Радиевна – студент

Alina R. Galiulina 

galiulinaa8@gmail.comДенисовА. И.DenisovA. I.

Денисов Алексей Игоревич – Ph.D., Ведущий исследователь

Alexey I. Denisov

real.agggro@gmail.comДенисоваН. В.DenisovaN. V.

Денисова Наталья Вячеславовна – к.ф.-м.н., доцент кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий»

Natalia V. Denisova

natali.denisova@bk.ruИвшинИ. В.IvshinI. V.

Ившин Игорь Владимирович – проректор по науке и коммерцилизации, д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий»

Igor V. Ivshin

ivshini@mail.ruКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian FederationООО «Шайден»РоссияLLC «Shaiden»Russian Federation202614062026282101121Copyright © Галиулина А.Р., Денисов А.И., Денисова Н.В., Ившин И.В., 20262026Галиулина А.Р., Денисов А.И., Денисова Н.В., Ившин И.В.Galiulina A.R., Denisov A.I., Denisova N.V., Ivshin I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3884

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования обусловлена растущей потребностью в создании компактных, высокоэнергоемких источников питания для автономных систем, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), где традиционные литий-ионные аккумуляторы демонстрируют ограничения по удельной энергоемкости. Перспективным направлением является разработка микротурбинных генераторов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), способных преобразовывать химическую энергию топлива в электрическую с высоким КПД. ЦЕЛЬ. Восполнить пробел в отечественной литературе по микротурбинным технологиям, систематизировать мировой опыт и определить перспективы разработки высокоэнергоемких МЭМС-источников питания в Российской Федерации. Провести анализ конструкций, материалов, технологий изготовления и термодинамических характеристик микротурбин, а также выполнить оценочный расчет параметров микрогазотурбинного генератора. МЕТОДЫ. В работе применены методы системного анализа научно-технической литературы, сравнительная оценка конструктивных решений и термодинамический расчет на основе цикла Брайтона. Для оценочного расчета мощности микротурбины использованы фундаментальные законы термодинамики и упрощенные модели работы компрессора, камеры сгорания и турбины. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведен всесторонний обзор ключевых технологических решений в области микротурбин, включая применение газовых подшипников, термостойких материалов (карбид кремния), методов микрообработки и особенностей проектирования для микромасштаба. Выполненный оценочный расчет для микротурбины с расходом топлива ~5.84 ∙ 10⁻⁹ м³/с показал потенциальную электрическую мощность порядка 100 Вт. Выявлены основные технологические вызовы: обеспечение стабильности при сверхвысоких оборотах, управление микросгоранием, тепловые режимы и интеграция компонентов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Микротурбинные технологии на основе МЭМС обладают значительным потенциалом для создания источников питания с удельной энергоемкостью, в 10-20 раз превышающей лучшие образцы аккумуляторов. Несмотря на существующие технологические барьеры, дальнейшие исследования в области оптимизации термодинамических циклов, разработки новых материалов и совершенствования методов микрообработки открывают перспективы для разработки отечественных высокоэффективных энергетических установок для БПЛА и других автономных систем, что является ключевым для укрепления технологического суверенитета.

The relevance of this research is driven by the growing need to create compact, high-energy power sources for autonomous systems, such as unmanned aerial vehicles (UAVs), where traditional lithium-ion batteries exhibit limitations in specific energy capacity. A promising direction is the development of microturbine generators based on microelectromechanical systems (MEMS), capable of converting the chemical energy of fuel into electrical energy with high efficiency. PURPOSE: To fill the gap in the domestic literature on microturbine technologies, systematize global experience, and identify prospects for the development of high-energy MEMS power supplies in the Russian Federation. To analyze the designs, materials, manufacturing technologies, and thermodynamic characteristics of microturbines. METHODS. This study utilizes methods of system analysis of scientific and technical literature, a comparative evaluation of design solutions, and a thermodynamic calculation based on the Brayton cycle and fundamental laws of thermodynamics. RESULTS. A comprehensive review of key technological solutions in the field of microturbines, including the use of gas bearings, heat-resistant materials (silicon carbide), micromachining methods, and design features for the microscale. An evaluation of the output power of a microturbine generator with a fuel consumption of ~5.84 ∙ 10⁻⁹ m³/s showed that this machine is capable of producing approximately 100 W. Complex technological aspects during the development process included ensuring stability at ultra-high speeds, microcombustion control, thermal conditions, and component integration. CONCLUSION. MEMS-based microturbine technologies offer significant potential for creating power sources with a specific energy density 10-20 times higher than the best batteries. Despite existing technological barriers, further research in optimizing thermodynamic cycles, developing new materials, and improving micromachining methods offers prospects for developing domestically produced, highly efficient power systems for UAVs and other autonomous systems, which is key to strengthening technological sovereignty.

микротурбинымикрогенераторымикроэлектромеханические системыбеспилотные летательные аппаратыгибридные энергосистемыmicroturbinesmicrogeneratorsmicroelectromechanical systemsunmanned aerial vehicleshybrid power systemsReferencesStanimirović Z., Stanimirović I. Advanced MEMS Technologies //Microelectromechanical Systems (MEMS)-Innovation, Manufacturing Techniques and Applications: Innovation, Manufacturing Techniques and Applications. – 2025. – С. 7.Stanimirović Z., Stanimirović I. Advanced MEMS Technologies //Microelectromechanical Systems (MEMS)-Innovation, Manufacturing Techniques and Applications: Innovation, Manufacturing Techniques and Applications. – 2025. – P. 7.Epstein A. H. et al. Power MEMS and microengines //Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers' 97). – IEEE, 1997. – Т. 2. – С. 753-756.Epstein A. H. et al. Power MEMS and microengines //Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers' 97). – IEEE, 1997. – T. 2. – P. 753-756.Epstein A. et al. Micro-heat engines, gas turbines, and rocket engines-The MIT microengine project //28th Fluid dynamics conference. – 1997. – С. 1773.Epstein A. et al. Micro-heat engines, gas turbines, and rocket engines-The MIT microengine project //28th Fluid dynamics conference. – 1997. – P. 1773.Schubert D. Mems-concept using micro turbines for satellite power supply //Solar Power, InTech. – 2012. – С. 195-210.Schubert D. Mems-concept using micro turbines for satellite power supply //Solar Power, InTech. – 2012. – P. 195-210.Hampel C. A., Braun R. J. Off-design modeling of a microturbine combined heat & power system //Applied Thermal Engineering. – 2022. – Т. 202. – С. 117670.Hampel C. A., Braun R. J. Off-design modeling of a microturbine combined heat & power system //Applied Thermal Engineering. – 2022. – T. 202. – P. 117670.Van Brussel H. et al. Assembly of microsystems //CIRP annals. – 2000. – Т. 49. – №. 2. – С. 451-472.Van Brussel H. et al. Assembly of microsystems //CIRP annals. – 2000. – T. 49. – No. 2. – pp. 451-472.Lin P. et al. Modeling and controller design of a micro gas turbine for power generation //ISA transactions. – 2022. – Т. 124. – С. 411-426.Lin P. et al. Modeling and controller design of a micro gas turbine for power generation //ISA transactions. – 2022. – Т. 124. – p. 411-426.Badum L., Cukurel B. Multidisciplinary design methodology for micro-gas-turbines— Part II: System analysis and optimization //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2024. – Т. 146. – №. 10. – С. 101002.Badum L., Cukurel B. Multidisciplinary design methodology for micro-gas-turbines— Part II: System analysis and optimization //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2024. – Т. 146. – №. 10. – p. 101002.Dessornes O. et al. Three technological bricks for a micro turbine concept for micro power generation //Technical Digest of PowerMEMS 2005. – 2005. – С. 28-30.Dessornes O. et al. Three technological bricks for a micro turbine concept for micro power generation //Technical Digest of PowerMEMS 2005. – 2005. – p. 28-30.Peirs J. et al. Micro power generation based on micro gas turbines: a challenge //MST NEWS. – 2005. – Т. 4. – С. 37.Peirs J. et al. Micro power generation based on micro gas turbines: a challenge //MST NEWS. – 2005. – Т. 4. – p. 37.Stefani F. et al. Comparative analysis of bearings for micro-GT: an innovative arrangement //Bearing Technology. – 2017. – С. 1-26.Stefani F. et al. Comparative analysis of bearings for micro-GT: an innovative arrangement //Bearing Technology. – 2017. – p. 1-26.Peirs J., Reynaerts D., Verplaetsen F. Development of an axial microturbine for a portable gas turbine generator //Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2003. – Т. 13. – №. 4. – С. S190.Peirs J., Reynaerts D., Verplaetsen F. Development of an axial microturbine for a portable gas turbine generator //Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2003. – Т. 13. – №. 4. – p. S190.Dessornes O., Zwyssig C. Micro-generator for ultra micro gas turbine //Power MEMS. – 2010. – С. 1-3.Dessornes O., Zwyssig C. Micro-generator for ultra micro gas turbine //Power MEMS. – 2010. – p. 1-3.Петров Т. И. Реализация оптимизации синхронного двигателя на основе генетического алгоритма в MATLAB / Т. И. Петров // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 102-109.Petrov T. I. Features of designing synchronous motors with permanent magnets using complex topology optimization / T. I. Petrov, A. R. Safin, R. K. Behera // Bulletin of Kazan State Power Engineering University. 2023. Vol. 15, No. 1 (57). Pp. 58-67. EDN KKTGUR.Петров Т. И. Особенности проектирования синхронных двигателей с постоянными магнитами при помощи комплексной топологической оптимизации / Т. И. Петров, А. Р. Сафин, R. K. Behera // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2023. – Т. 15, № 1(57).Petrov T. I. Implementation of synchronous motor optimization based on a genetic algorithm in MATLAB / T. I. Petrov // News of higher educational institutions. Problems of power engineering. 2025. Vol. 27, No. 3. Pp. 102-109. DOI 10.30724/1998-9903-2025-27-3-102-109. EDN HTZVKI.Сафин А. Р. Аддитивное производство и оптимизация топологии магнитных материалов для электрических машин / А. Р. Сафин, R. K. Behera // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 14-33. – DOI 10.30724/1998-9903-2021-23-3-14-33.Safin A. R. Additive manufacturing and topology optimization of magnetic materials for electrical machines / A. R. Safin, R. K. Behera // News of higher educational institutions. Problems of energy. 2021. Vol. 23, No. 3. Pp. 14-33. DOI 10.30724/1998-9903-2021-23-3-14-33. EDN QYWQTR.Capata R., Marino L., Sciubba E. A hybrid propulsion system for a high-endurance UAV: Configuration selection, aerodynamic study, and gas turbine bench tests //Journal of Unmanned Vehicle Systems. – 2014. – Т. 2. – №. 1. – С. 16-35.Capata R., Marino L., Sciubba E. A hybrid propulsion system for a high-endurance UAV: Configuration selection, aerodynamic study, and gas turbine bench tests //Journal of Unmanned Vehicle Systems. – 2014. – Т. 2. – №. 1. – p. 16-35.Shah R. et al. Design and performance analysis of hydrogen-fueled micro combustion chamber with focus on back pressure minimization. – 2024.Shah R. et al. Design and performance analysis of hydrogen-fueled micro combustion chamber with focus on back pressure minimization. – 2024.Chen J. The importance of cavities to the stabilization of methane ames in micro structured combustion systems. – 2022.Chen J. The importance of cavities to the stabilization of methane ames in micro structured combustion systems. – 2022.Adamou A. et al. Experimental performance and emissions of additively manufactured high-temperature combustion chambers for micro-gas turbines //International Journal of Engine Research. – 2023. – Т. 24. – №. 4. – С. 1273-1289.Adamou A. et al. Experimental performance and emissions of additively manufactured high-temperature combustion chambers for micro-gas turbines //International Journal of Engine Research. – 2023. – Т. 24. – №. 4. – p. 1273-1289.Capata R. et al. Experimental tests of the operating conditions of a micro gas turbine device //Journal of Energy and Power Engineering. – 2015. – Т. 9. – №. 4. – С. 326-335.Capata R. et al. Experimental tests of the operating conditions of a micro gas turbine device //Journal of Energy and Power Engineering. – 2015. – Т. 9. – №. 4. – p. 326-335.Badum L., Leizeronok B., Cukurel B. New Insights From Conceptual Design of an Additive Manufactured 300 W Microgas Turbine Toward Unmanned Aerial Vehicle Applications //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2021. – Т. 143. – №. 2. – С. 021006.Badum L., Leizeronok B., Cukurel B. New Insights From Conceptual Design of an Additive Manufactured 300 W Microgas Turbine Toward Unmanned Aerial Vehicle Applications //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2021. – Т. 143. – №. 2. – P. 021006.Omri M. et al. Analysis of Flow Structure in Microturbine Operating at Low Reynolds Number //Computers, Materials & Continua. – 2022. – Т. 71. – №. 1.Omri M. et al. Analysis of Flow Structure in Microturbine Operating at Low Reynolds Number //Computers, Materials & Continua. – 2022. – Т. 71. – №. 1.Matsuo E. et al. Towards the development of finger-top gas turbines //Power (W). – 2003. – Т. 50. – С. 50.Matsuo E. et al. Towards the development of finger-top gas turbines //Power (W). – 2003. – Т. 50. – P. 50.Kosowski K., Piwowarski M. Design Analysis of Micro Gas Turbines in Closed Cycles //Energies. – 2020. – Т. 13. – №. 21. – С. 5790.Kosowski K., Piwowarski M. Design Analysis of Micro Gas Turbines in Closed Cycles //Energies. – 2020. – Т. 13. – №. 21. – P. 5790.Lakshmy D. S. M. Design and analysis of turbine blades in a micro gas turbine engine [J] //Internation Journal for Trends in Engineering and Technology. – 2015. – Т. 5. – №. 2.Lakshmy D. S. M. Design and analysis of turbine blades in a micro gas turbine engine [J] //Internation Journal for Trends in Engineering and Technology. – 2015. – Т. 5. – №. 2.Capata R., Saracchini M. Experimental campaign tests on ultra micro gas turbines, fuel supply comparison and optimization //Energies. – 2018. – Т. 11. – №. 4. – С. 799.Capata R., Saracchini M. Experimental campaign tests on ultra micro gas turbines, fuel supply comparison and optimization //Energies. – 2018. – Т. 11. – №. 4. – P. 799.Семенников А. В. Инновации в микроэлектромеханических системах (MEMS) / А. В. Семенников // Экономика и управление: проблемы, решения. – 2024. – Т. 5, № 8(147). – С. 84-96. – DOI 10.36871/ek.up.p.r.2024.08.05.010.Semennikov A. V. Innovations in microelectromechanical systems (MEMS) / A. V. Semennikov // Economics and Management: Problems, Solutions. 2024. Vol. 5, No. 8 (147). P. 84-96. DOI 10.36871/ek.up.p.r.2024.08.05.010.Li J., Liu Z., Ye R. Current status and prospects of gas turbine technology application //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2021. – Т. 2108. – №. 1. – С. 012009.Li J., Liu Z., Ye R. Current status and prospects of gas turbine technology application //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2021. – Т. 2108. – №. 1. – P. 012009.Biswas A., Roy S. S. A review on multi nozzle electrohydrodynamic inkjet printing system for MEMS applications //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2021. – Т. 1136. – №. 1. – С. 012015.Biswas A., Roy S. S. A review on multi nozzle electrohydrodynamic inkjet printing system for MEMS applications //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2021. – Т. 1136. – №. 1. – P. 012015.Закон квадрата — куба [Электронный ресурс] // Википедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_квадрата_—_куба (дата обращения: 27.11.2025).The Law of the Square and the Cube [Electronic resource] // Wikipedia. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/The_Law_of_the_Square_—_and_the_Cube (accessed: 27.11.2025).Payne J. E. Microfabrication of SiC Using Femtosecond Lasers. – 2025.Payne J. E. Microfabrication of SiC Using Femtosecond Lasers. – 2025.Jaiswal A. et al. Two decades of two-photon lithography: Materials science perspective for additive manufacturing of 2D/3D nano-microstructures //Iscience. – 2023. – Т. 26. – №. 4.Jaiswal A. et al. Two decades of two-photon lithography: Materials science perspective for additive manufacturing of 2D/3D nano-microstructures //Iscience. – 2023. – Т. 26. – №. 4.Реальна ли 3D-печать металлом на дому? // Хабр URL: https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/944702/ (дата обращения: 07.09.2025).Реальна ли 3D-печать металлом на дому? // Хабр URL: https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/944702/ (дата обращения: 07.09.2025).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.