C технологиями многое может пойти (и идет) не так, как хотелось бы. Доктор Терри Ролин, аналитик сбоев электронных систем в Центре космических полетов Маршалла, знает об этом не понаслышке.
Его работа заключается в том, чтобы находить решения проблем, а если он не может их найти, то он начинает изобретать. Когда Ролину и его команде было поручено выяснить, что вызвало отказ крупной батарейной системы в 2011 году, это заставило их задуматься над фундаментальным вопросом — можем ли мы разработать более качественный источник питания?
Опираясь на опыт команды в области материаловедения, Ролин и его команда приступили к работе. Они начали решать проблему с чистого листа, рассматривая идеальные характеристики источника питания и пытаясь найти материалы, которые бы отвечали этим критериям лучше, чем традиционные.
«Мы начали работать с твердыми материалами, чтобы уйти от жидкостей и гелей и избежать токсичных материалов», — объясняет Ролин. И, следуя некоторым ультрасовременным разработкам с использованием наноматериалов, он говорит, что «нам удалось изобрести новое устройство, которое мы называем ультраконденсатором».
Этот новый ультраконденсатор NASA представляет состоит из твердого материала, предназначенного для накопления энергии, причем он более безопасен, чем батареи, изготовленные из токсичных жидкостей и гелей. Во время тестирования он показал поразительную чувствительность к влажности.
Новое изобретение команы Ролина является представителем нового класса источников питания, представляя собой нечто вроде гибрида между суперконденсаторами и батареями. В частности, он сочетает в себе высокую емкость (способность хранить заряд) с «разрядными характеристиками, свойственными батареям», т.е. обеспечивает постоянную мощность с течением времени. Будучи изготовленным из полупроводникового материала, он также более устойчив к неблагоприятным условиям, таким как перепады температур в помещении, и более безопасен в производстве и эксплуатации, чем традиционные батарейные системы.
Случайное создание полупроводникового датчика влажности удивило инженеров NASA, работавших над новой энергетической технологией. Попытки найти замену батареям, изготовленным из токсичных материалов, привели к появлению нового датчика влажности, который способен выдавать показания об уровне влажности внутри холодильника или космического корабля.
Ролин и его команда надеются, что этот революционный материал имеет большое будущее в космических и коммерческих энергетических системах. В то же время, причуда в свойствах их инновационного материала открыла неожиданное применение.
На ранних этапах тестирования Ролин заметил интересную особенность, которую не смог объяснить: «Хорошая система хранения энергии должна иметь большую емкость», — говорит он. «Когда я держал в руке ультраконденсатор и тестировал его, емкость была очень высокой. Но когда я положил его на стол и снова протестировал, она резко снизилась».
Изначально инженеры считали, что на емкость влияет тепло тела Ролина, поэтому они провели испытания в термической камере. Емкость не менялась.
«Вскоре мы поняли, что именно влага, содержащаяся в выдыхаемом воздухе, вызывала эти большие изменения», — объясняет Ролин. «Мы проверили его в камере влажности, и, конечно же, мы увидели огромный отклик емкости на изменение уровня влажности».
Новый ультраконденсатор Ролина оказался полупроводниковым влагочувствительным элементом.
Смена технологий
Датчики влажности измеряют количество влаги в воздухе путем обнаружения изменений, которые влияют на электрические токи или температуру. Ультраконденсатор NASA чрезвычайно чувствителен к изменениям условий, обнаруживая малейшие сдвиги. Кроме того, он быстро восстанавливался, так как легко сбрасывал собравшуюся поверхностную влагу.
Чтобы измерить скорость реакции, команда проверила его производительность в сравнении с коммерческими датчиками влажности и обнаружила, что он работает быстрее. По словам Ролина, после проведения всех испытаний на влажность, которые они могли провести на предприятии, им нужен был партнер в отрасли для проведения более обширных проверок.
Он обратился за помощью в Управление по передаче технологий в Маршалле. Офис дал объявление об этой технологии, а компания Roscid Technologies Inc., расположенная в Вобурне, штат Массачусетс, связалась с NASA. Компания поставляет NASA высококачественное аналитическое оборудование для проверки измерений газов высокой чистоты. Roscid предложили испытать новую технологию, потому что персонал был заинтригован. Совместная работа над датчиком влажности дала возможность исследовать новую технологию, которая при первом ее рассмотрении выглядела многообещающе.
«Мы попросили Терри прислать несколько образцов», — объясняет Кен Мюррей, вице-президент по развитию нового бизнеса. «Изначально мы подошли к нему с идеей посмотреть, насколько прочен материал и насколько хорошо он будет работать в различных условиях».
Испытания проводятся в «довольно неприятных средах», включая «ужасные химикаты, резкие перепады температур и при большом количестве циклов работы». Компания подтвердила, что недавно созданный материал NASA, помимо своих основных преимуществ, имеет дополнительную ценность.
Размер чувствительной поверхности, необходимой для улавливания изменений влажности и выдачи сигнала, зависит от ряда факторов: типа чувствительного материала, окружающей среды и области применения. В большинстве датчиков используются полимерные или керамические материалы, которые могут иметь низкую чувствительность, поэтому они должны быть достаточно большими.
Проблема, с которой могут столкнуться все существующие датчики, — это повреждения от влаги, которую они измеряют. Со временем датчики поглощают жидкость, что приводит к эрозии чувствительного материала. Это приводит к искажению показаний или к полной остановке работы датчика. В связи с этим, необходим непрерывный мониторинг для обеспечения точности данных и замены поврежденных блоков. Это означает, что большинство датчиков недолговечны, что увеличивает затраты на обслуживание системы.
Влага является проблемой для производства во многих отраслях промышленности, в том числе фармацевтической, поэтому контроль уровня влажности имеет критическую важность. Если датчик выходит из строя или происходит сбой калибровки, это может привести к значительным потерям. Новый полупроводниковый датчик влажности NASA может произвести революцию в отрасли благодаря более надежному оборудованию.
Мюррей обнаружил, что для получения последовательных и точных показаний достаточно небольшого количества нового материала NASA, примерно сотой доли дюйма. Чтобы преобразовать этот сигнал в содержательные данные, компания Roscid разработала и усовершенствовала электронные компоненты, совместимые с новым материалом.
«По мере того, как мы углублялись в изучение датчика, мы хотели вывести его на новый уровень», — говорит Мюррей. «Мы каждый раз отмечали, что узнали что-то новое, а Терри слегка подправлял технологию. Датчик становился немного более надежным для приложений, которые мы тестируем».
Roscid подписал с Маршаллом две лицензии на оценку, чтобы выйти за рамки требований НАСА к тестированию. Когда Мюррей обратился к потенциальным новым клиентам с образцами, он сказал, что «реакция была в подавляющем большинстве положительной». Так компания подписала неэксклюзивную лицензию и в 2019 году приступила к маркетингу своей модели датчика влажности CBNS215.
Преимущества
Такие датчики необходимы в средах, где необходимо контролировать влажность, будь то для поддержания определенных условий или для предотвращения попадания влаги в изделия. В дополнение к регулярному техническому обслуживанию и замене датчиков, системы контроля влажности сталкиваются с простоями, требующими дорогостоящих процедур калибровки. Компания Roscid считает, что датчики NASA значительно снизят эту нагрузку. Мюррей приводит фармацевтическую промышленность в качестве примера.
«После обработки каждой партии лекарств фармацевтическим компаниям приходится проверять датчики на соответствие калибровочным стандартам, чтобы убедиться, что они не имеют отклонений», — говорит он. «Если какое-либо устройство выйдет из строя, им придется отозвать и переделать последнюю партию, либо поместить ее в карантин».
Надежные датчики позволят компаниям увеличить циклы калибровки, что окажет значительное влияние на итоговый результат.
Датчики могут испытывать отклонения или выходить из строя после одного «случая влажности». Конденсат на датчике может быть как небольшим, так и значительным, например, при погружении датчика в какую-либо жидкость. Поскольку новый материал пропускает влагу, эти проблемы могут уйти в прошлое.
«Чувствительный материал НАСА — это полупроводниковая конструкция, не будет необходимости что-либо смывать», — объясняет Мюррей.
Эта надежность является существенной характеристикой для высоко-влажностных и низкотемпературных применений, таких как охлаждение. Поскольку дверь холодильника постоянно открывается и закрывается, влажность и температура постоянно меняются. Поддерживать идеальные условия без постоянного контроля крайне сложно.
Производитель высококачественных бытовых холодильников производит испытания датчика CBNS215 в лотке для овощей. Цель — поддерживать влажность воздуха на уровне 95 процентов при температуре 37 °F. До сих пор компания не нашла ни одного датчика, который бы стабильно поддерживал влажность в течение долгого времени.
«Есть тест, который эти ребята проводят, и он довольно сложен», — говорит Ролин. «Roscid проводили подобный тест собственными силами, и, по их словам, только нашему датчику удалось его успешно пройти. Это довольно круто».
Ролин хотел бы найти решение важной проблемы, которое позволила бы потребителям и газовым компаниям сэкономить миллионы долларов. Эта проблема – попадание воды в бензин.
Мюррей считает, что новый датчик может помочь. «Мониторинг уровня влажности в подземных резервуарах хранения бензина может снизить возможность попадания воды в ваш автомобиль», — объясняет он. Датчики также могут быть установлены в топливные баки автомобилей, предупреждая водителей о проникновении влаги в систему подачи топлива.
Компании, добывающие нефть и газ, также проявили интерес к датчику CBNS215. Им нужна технология, которая бы работала на уровне низких точек росы и при температуре до -94 °F. Используемые в настоящее время датчики на основе оксида алюминия имеют серьезные ограничения — большое время отклика и длительное высыхание. Может потребоваться несколько дней или недель, прежде чем система начнет работать после воздействия влаги. Мюррей сотрудничает с промышленностью, чтобы убедиться, что датчик NASA будет реальной заменой.
Холодная стерилизация, холодильные транспортные контейнеры и грузовики, а также авиакомпании — это лишь некоторые примеры отраслей промышленности, заинтересованных в новой технологии датчиков и обсуждающих ее с компанией Roscid.
«Военным самолетам особенно полезно иметь датчик влажности, который точно считывает уровень точки росы в атмосфере, через которую пролетает самолет», — объясняет Мюррей. «Эта задача сейчас изучается.»
Эта копия космического корабля SpaceX Crew Dragon проходит испытания системы контроля за состоянием окружающей среды и жизнеобеспечения экипажа космического корабля. Системы жизнеобеспечения в космосе сложны и деликатны. Инновационный твердотельный влагочувствительный материал, разработанный NASA, может помочь обнаружить небольшие утечки в этих системах, поскольку он чувствителен к мельчайшим изменениям в воздухе, что позволяет астронавтам проводить необходимые ремонтные работы и предотвращать любые серьезные проблемы.
Эти разнообразные применения знакомят новые отрасли промышленности с технологиями NASA, и Мюррей отдает должное Космическому агентству за это.
«Если NASA говорит, что это работает, то это работает», — говорит он. «NASA является таким замечательным партнером, потому что они действительно привержены не только своей работе, но и процессу коммерциализации».
Ролин и его команда ищут космические применения, чтобы извлечь выгоду из этого неожиданного открытия.
«Теперь, когда мы знаем, что наш новый материал чувствителен к уровню влажности, и что он, кажется, переносит скачки температуры, мы можем с уверенностью поместить его в один из наших испытательных стендов», — объясняет он. «Если он проявит себя хорошо, то у NASA появится датчик, который стал возможным благодаря партнерству с Roscid».
Датчик планируется отправить в космос в ходе экспериментального полета на МКС, связанного с материалами. Успешный полет докажет, что новый материал может быть использован и в будущих полетах.
Отметив, что NASA использует датчики влажности на космической станции для систем контроля за состоянием окружающей среды и жизнеобеспечения, Ролин представил миниатюрный датчик, который поможет контролировать все — от остановки дыхания астронавтов во время сна, до раннего обнаружения опасных утечек в системе.
Что касается применения ультраконденсаторов, то предварительные результаты многообещающие, и впереди еще много испытаний.
«Возможно удастся создать комбинированную систему, которая будет накапливать энергию, а также служить в качестве датчика влажности в ракетах и других космических аппаратах», — говорит Ролин.
Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.
У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.
Читать еще полезные статьи:
- [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
- Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
- [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
- Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
- Камеры или лазеры
- Автономные автомобили на open source
- McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
- Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
- Программный код в автомобиле
- В современном автомобиле строк кода больше чем…
