Extrémne odolný senzor pracuje pri teplote erupcie najhorúcejšej lávy
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 24. 5. 2023
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Senzory používané na monitorovanie extrémnych prostredí musia poskytovať spoľahlivé merania napriek vysokým teplotám a drsným podmienkam. Teraz výskumníci vyvinuli piezoelektrický senzor, ktorý pracuje pri teplote erupcie mafickej lávy, najhorúcejšieho typu lávy na Zemi.
Letectvo, energetika, doprava a obrana – to všetko sú extrémne prostredia, ktoré predstavujú výzvu pri vývoji senzorov na monitorovanie fyzikálnych a mechanických parametrov, ako je tlak, sila, napätie a zrýchlenie.
Aby senzory fungovali v týchto prostrediach, musia byť schopné odolať veľmi vysokým teplotám a drsným podmienkam. Letecké turbostroje napríklad generujú teploty medzi 75 až 500 stupňov Celzia. Jadrové reaktory pracujú pri teplote medzi 300 až 1 000 stupňov Celzia. No a teploty v potrubiach používaných petrochemickým priemyslom sa líšia od takmer arktického chladu až po spaľujúce púštne teplo.
Výskumníci z Houstonskej univerzity teraz vyvinuli piezoelektrický senzor, ktorý dokáže tolerovať tieto typy extrémov, pričom zostáva citlivý a spoľahlivý.
„Pre efektívnosť, údržbu a integritu týchto aplikácií sú potrebné vysoko citlivé, spoľahlivé a odolné senzory, ktoré dokážu tolerovať takéto extrémne prostredia,“ povedal Jae-Hyun Ryou, zodpovedajúci autor štúdie.
Piezoelektrina je elektrický náboj, ktorý sa hromadí v pevných materiáloch, keď sú vystavené mechanickému namáhaniu. Piezoelektrické senzory merajú zmeny tlaku, zrýchlenia alebo napätia ich premenou na elektrický náboj.
Výskumný tím už vyvinul piezoelektrický tlakový senzor z nitridu gália (GaN) navrhnutý na použitie v extrémnych prostrediach. Zistili však, že citlivosť senzora klesla pri teplotách vyšších ako 350 stupňov Celzia. Hoci GaN je polovodič so širokým pásmom, vedci predpokladali, že zníženie citlivosti bolo spôsobené tým, že pásmový rozdiel nebol dostatočne široký. Pásmový rozdiel je minimálna energia potrebná na excitáciu elektrónu a vytvorenie elektrickej vodivosti. Výskumníci teda vytvorili nový senzor využívajúci nitrid hliníka (AlN).
Vedci porovnali výkon senzorov AlN a GaN ich umiestnením do pece a zvýšením tepla v 100-stupňových prírastkoch 100 až do 900 stupňov Celzia. Na vyhodnotenie ich schopností snímania tlaku sa použil plynný dusík s regulovaným tlakom.
V porovnaní so senzorom GaN sa zistilo, že senzor AlN mal širší pásmový rozdiel a mohol pracovať pri vyšších teplotách, pričom stále poskytoval rýchle, stabilné a spoľahlivé merania. V skutočnosti fungoval pri teplotách až 900 stupňov Celzia, čo je teplota vybuchujúcej mafickej lávy sopky, čo je najhorúcejší typ lávy na Zemi.
„Hypotézu potvrdil senzor pracujúci pri teplote približne 1 000 stupňov Celzia, čo je najvyššia prevádzková teplota spomedzi piezoelektrických senzorov,“ povedal Nam-In Kim, hlavný autor štúdie.
Vďaka fyzikálnym vlastnostiam AlN dokáže senzor odolávať nielen vysokým teplotám, ale má aj vysokú odolnosť voči žiareniu a je odolný voči organickým rozpúšťadlám, morskej vode, ultrafialovému svetlu a slabým kyselinám a zásaditým látkam.
Teraz, keď výskumníci preukázali robustnosť svojho piezoelektrického senzora AlN v laboratóriu, plánujú ho otestovať v reálnych prostrediach.
„Naším plánom je použiť senzor v niekoľkých drsných scenároch,“ povedal Ryou. „Napríklad v jadrových elektrárňach na vystavenie neutrónom a zariadeniach na skladovanie vodíka na testovanie pod vysokým tlakom. Senzory AlN môžu vďaka svojim stabilným materiálovým vlastnostiam pracovať v atmosfére vystavenej neutrónom a pri veľmi vysokých tlakových rozsahoch“.
Vedci sa však zameriavajú na iné aplikácie ako ťažký priemysel. Predpokladajú začlenenie ich senzora do nositeľných zariadení používaných na monitorovanie zdravia alebo používaných v mäkkej robotike s presným snímaním. Ich štúdia bola nedávno publikovaná v magazíne Advanced Functional Materials.
