💷 🏈 🥅 أصبح مكثف ناسا ... متر الرطوبة 🥦 👨🏾‍🔬 🗺️

مع التكنولوجيا ، يمكن أن يذهب الكثير (ويذهب) ليس كما نريد. الدكتور تيري رولين ، محلل عطل في الأنظمة الإلكترونية في مركز مارشال لرحلات الفضاء ، يعرف ذلك مباشرة.

وظيفته هي إيجاد حلول للمشاكل ، وإذا لم يتمكن من العثور عليها ، فإنه يبدأ في الاختراع. عندما تم توجيه رولين وفريقه لمعرفة سبب فشل نظام البطاريات الكبيرة في عام 2011 ، جعلهم ذلك يفكرون في السؤال الأساسي - هل يمكننا تطوير مصدر طاقة أفضل؟

بناءً على خبرة الفريق في علوم المواد ، بدأ Rolin وفريقه في العمل. بدأوا في حل المشكلة من الصفر ، ودراسة الخصائص المثالية لمصدر الطاقة ومحاولة العثور على المواد التي تلبي هذه المعايير بشكل أفضل من المعايير التقليدية.

يشرح رولين قائلاً: "لقد بدأنا العمل بمواد صلبة للابتعاد عن السوائل والمواد الهلامية وتجنب المواد السامة". وبعد بعض التطورات الحديثة باستخدام المواد النانوية ، يقول: "تمكنا من اختراع جهاز جديد ، نسميه مكثف فائق السرعة".

يتكون مكثف فائق السرعة الجديد من وكالة ناسا من مادة صلبة مصممة لتخزين الطاقة ، وهو أكثر أمانًا من البطاريات المصنوعة من السوائل والمواد الهلامية السامة. أثناء الاختبار ، أظهر حساسية مذهلة للرطوبة.

يمثل الاختراع الجديد لفريق Rolin فئة جديدة من مصادر الطاقة ، تمثل نوعًا من الهجين بين المكثفات الفائقة والبطاريات. على وجه الخصوص ، فهو يجمع بين السعة العالية (القدرة على تخزين الشحن) مع "خصائص التفريغ الكامنة في البطاريات" ، أي يوفر قوة ثابتة بمرور الوقت. كونها مصنوعة من مادة شبه موصلة ، فهي أيضًا أكثر مقاومة للظروف المعاكسة ، مثل تغيرات درجة الحرارة في الغرفة ، وأكثر أمانًا في التصنيع والتشغيل من أنظمة البطاريات التقليدية.

فاجأ الإنشاء العرضي لمستشعر رطوبة أشباه الموصلات مهندسي ناسا الذين يعملون على تكنولوجيا الطاقة الجديدة. أدت محاولات إيجاد بديل للبطاريات المصنوعة من مواد سامة إلى ظهور مستشعر جديد للرطوبة يمكنه إعطاء قراءات حول مستوى الرطوبة داخل الثلاجة أو سفينة الفضاء.

يأمل رولين وفريقه أن تتمتع هذه المادة الثورية بمستقبل عظيم في أنظمة الفضاء والطاقة التجارية. في الوقت نفسه ، فتحت الغرابة في خصائص موادها المبتكرة تطبيقات غير متوقعة.

في المراحل الأولى من الاختبار ، لاحظ Rolin ميزة مثيرة للاهتمام لم يتمكن من تفسيرها: "يجب أن يكون لنظام تخزين الطاقة الجيد سعة كبيرة" ، كما يقول. "عندما أمسكت بالمكثف الفائق في يدي واختبرته ، كانت السعة عالية جدًا. ولكن عندما وضعته على الطاولة واختبرته مرة أخرى ، انخفض بشكل حاد ".

في البداية ، اعتقد المهندسون أن السعة تتأثر بحرارة جسم رولين ، لذلك أجروا اختبارات في غرفة حرارية. لم تتغير القدرة.

يشرح رولين قائلاً: "سرعان ما أدركنا أن الرطوبة في هواء الزفير هي التي تسببت في هذه التغييرات الكبيرة". "لقد اختبرناها في غرفة رطوبة ، وبالطبع رأينا استجابة الخزان الضخمة للتغيرات في مستويات الرطوبة."

تبين أن المكثف الفائق الجديد من Rolin عنصر حساس للرطوبة في أشباه الموصلات.

تغيير التكنولوجيا

تقوم مستشعرات الرطوبة بقياس كمية الرطوبة في الهواء من خلال الكشف عن التغييرات التي تؤثر على التيارات الكهربائية أو درجة الحرارة. مكثف فائق ناسا حساس للغاية للظروف المتغيرة ، الكشف عن أدنى التحولات. بالإضافة إلى ذلك ، تعافى بسرعة ، حيث ألقى بسهولة رطوبة السطح المجمعة.

لقياس معدل التفاعل ، اختبر الفريق أدائه مقابل مستشعرات الرطوبة التجارية ووجد أنه كان أسرع. وفقًا لرولين ، بعد كل اختبارات الرطوبة التي كان يمكن إجراؤها في المصنع ، كانوا بحاجة إلى شريك في الصناعة لإجراء فحوصات أكثر شمولاً.

طلب المساعدة من مكتب نقل التكنولوجيا في مارشال. أعلن المكتب عن هذه التكنولوجيا ، وشركة Roscid Technologies Inc. ، ومقرها في ووبورن ، ماساتشوستس ، اتصلت بناسا. تزود الشركة وكالة ناسا بمعدات تحليلية عالية الجودة لاختبار قياسات الغازات عالية النقاء. عرضت Roscid لاختبار التكنولوجيا الجديدة لأن الموظفين مفتونين. جعل العمل المشترك على مستشعر الرطوبة من الممكن استكشاف تقنية جديدة ، والتي بدت واعدة عند فحصها لأول مرة.

يوضح كين موراي ، نائب رئيس تطوير الأعمال الجديدة: "لقد طلبنا من تيري إرسال بعض العينات". "في البداية ، توصلنا إلى فكرة لنرى مدى متانة المواد ومدى جودة عملها في ظروف مختلفة."

يتم إجراء الاختبارات في "بيئات غير سارة إلى حد ما" ، بما في ذلك "المواد الكيميائية الرهيبة ، والتغيرات المفاجئة في درجة الحرارة ومع عدد كبير من دورات العمل." وأكدت الشركة أن مادة ناسا التي تم إنشاؤها حديثًا ، بالإضافة إلى مزاياها الرئيسية ، قد أضافت قيمة.

يعتمد حجم السطح الحساس اللازم لالتقاط التغييرات في الرطوبة وإخراج الإشارة على عدد من العوامل: نوع المواد الحساسة والبيئة والتطبيق. تستخدم معظم أجهزة الاستشعار مواد البوليمر أو السيراميك ، والتي قد تكون ذات حساسية منخفضة ، لذلك يجب أن تكون كبيرة بما يكفي.

إن المشكلة التي قد تواجهها جميع أجهزة الاستشعار الموجودة هي تلف الرطوبة التي تقيسها. بمرور الوقت ، تمتص أجهزة الاستشعار السائل ، مما يؤدي إلى تآكل المواد الحساسة. هذا يؤدي إلى تشويه القراءات أو توقف كامل للمستشعر. في هذا الصدد ، المراقبة المستمرة ضرورية لضمان دقة البيانات واستبدال الكتل التالفة. وهذا يعني أن معظم أجهزة الاستشعار قصيرة العمر ، مما يزيد من تكلفة صيانة النظام.

الرطوبة مشكلة للإنتاج في العديد من الصناعات ، بما في ذلك الأدوية ، لذا فإن التحكم في مستويات الرطوبة أمر بالغ الأهمية. إذا فشل المستشعر أو فشلت المعايرة ، فقد يؤدي ذلك إلى خسارة كبيرة. يمكن لمستشعر رطوبة أشباه الموصلات الجديد التابع لناسا أن يحدث ثورة في الصناعة بمعدات أكثر قوة.

وجد موراي أنه للحصول على قراءات متسقة ودقيقة ، يكفي كمية صغيرة من مادة ناسا الجديدة ، حوالي مائة بوصة. لتحويل هذه الإشارة إلى بيانات ذات مغزى ، قامت Roscid بتطوير وتحسين المكونات الإلكترونية المتوافقة مع المواد الجديدة.

يقول موراي: "عندما دخلنا عميقًا في المستشعر ، أردنا الارتقاء به إلى مستوى جديد". "في كل مرة نلاحظ فيها أننا تعلمنا شيئًا جديدًا ، وأدخل تيري تعديلات طفيفة على التكنولوجيا. أصبح المستشعر أكثر موثوقية قليلاً للتطبيقات التي نختبرها ".

وقعت Roscid رخصتي تقييم مع مارشال لتجاوز متطلبات اختبار وكالة ناسا. عندما تحول موراي إلى عملاء جدد محتملين بعينات ، قال إن "رد الفعل كان إيجابياً للغاية". لذلك وقعت الشركة على ترخيص غير حصري وبدأت في عام 2019 تسويق نموذج مستشعر الرطوبة CBNS215.

فوائد

هذه المستشعرات ضرورية في البيئات التي يجب التحكم فيها بالرطوبة ، سواء للحفاظ على ظروف معينة أو لمنع الرطوبة من دخول المنتج. بالإضافة إلى الصيانة الروتينية واستبدال المستشعر ، تواجه أنظمة التحكم في الرطوبة أوقات تعطل تتطلب إجراءات معايرة باهظة الثمن. تعتقد Roscid أن مستشعرات وكالة ناسا ستقلل هذا الحمل بشكل كبير. يستشهد موراي بصناعة الأدوية كمثال.

يقول: "بعد معالجة كل دفعة من الأدوية ، يتعين على شركات الأدوية فحص أجهزة الاستشعار لمعايير المعايرة للتأكد من أنها لا تنحرف". "إذا فشل أي جهاز ، فسيتعين عليه سحب وإعادة إنشاء الدفعة الأخيرة أو عزلها."

ستتيح أجهزة الاستشعار الموثوقة للشركات زيادة دورات المعايرة ، مما سيكون له تأثير كبير على النتيجة النهائية.

قد تنحرف أجهزة الاستشعار أو تفشل بعد "حدث رطوبة" واحد. يمكن أن يكون التكثيف على المستشعر صغيرًا أو مهمًا ، على سبيل المثال ، عندما يكون المستشعر مغمورًا في أي سائل. عندما تتسرب مادة جديدة من الرطوبة ، يمكن أن تكون هذه المشاكل شيئًا من الماضي.

يشرح موراي: "إن المواد الحساسة لناسا هي تصميم أشباه الموصلات ، ولا داعي لتدفق أي شيء".

هذه الموثوقية هي سمة أساسية للرطوبة العالية وتطبيقات درجة الحرارة المنخفضة مثل التبريد. نظرًا لأن باب الثلاجة يفتح ويغلق باستمرار ، تتغير الرطوبة ودرجة الحرارة باستمرار. من الصعب للغاية الحفاظ على الظروف المثالية بدون مراقبة مستمرة.

تقوم شركة تصنيع الثلاجات المنزلية عالية الجودة باختبار مستشعر CBNS215 في صينية الخضار. الهدف هو الحفاظ على رطوبة الهواء عند 95 بالمائة عند 37 درجة فهرنهايت. حتى الآن ، لم تجد الشركة مستشعرًا واحدًا يحافظ على الرطوبة لفترة طويلة.

يقول رولين: "هناك اختبار يقوم به هؤلاء الأشخاص ، وهو معقد للغاية". "أجرت Roscid اختبارًا مشابهًا بمفردها ، ووفقًا لهم ، استطاع جهاز الاستشعار فقط اجتيازه بنجاح. هذا رائع جدا. "

تود Rolin إيجاد حل لمشكلة مهمة تسمح للمستهلكين وشركات الغاز بتوفير ملايين الدولارات. هذه المشكلة هي دخول الماء إلى البنزين.

يعتقد موراي أن مستشعرًا جديدًا يمكن أن يساعد. ويوضح: "إن مراقبة مستوى الرطوبة في خزانات تخزين البنزين تحت الأرض يمكن أن تقلل من فرصة دخول المياه إلى سيارتك". يمكن أيضًا تركيب المستشعرات في خزانات الوقود للسيارات ، مما يحذر السائقين من دخول الرطوبة في نظام تزويد الوقود.

كما أبدت شركات النفط والغاز اهتمامًا بـ CBNS215. إنهم بحاجة إلى تكنولوجيا تعمل عند نقاط الندى المنخفضة وفي درجات حرارة تصل إلى -70 درجة مئوية. أجهزة استشعار الألومينا المستخدمة حاليًا لها قيود خطيرة - أوقات استجابة طويلة وأوقات تجفيف طويلة. قد يستغرق الأمر عدة أيام أو أسابيع قبل أن يبدأ النظام في العمل بعد التعرض للرطوبة. دخلت Murray في شراكة مع الصناعة للتأكد من أن مستشعر NASA سيكون بديلاً حقيقيًا.

التعقيم البارد ، حاويات النقل المبردة والشاحنات ، وكذلك شركات الطيران ، ليست سوى أمثلة قليلة على الصناعات المهتمة بمناقشة تكنولوجيا الاستشعار الجديدة ومناقشتها مع Roscid.

يوضح موراي: "من المفيد بشكل خاص أن تمتلك الطائرات العسكرية مستشعرًا للرطوبة يقرأ بدقة مستوى نقطة الندى في الجو الذي تطير من خلاله الطائرة". "هذه المهمة قيد الدراسة."

تخضع هذه النسخة من المركبة الفضائية SpaceX Crew Dragon لاختبارات لنظام التحكم البيئي ودعم الحياة لطاقم المركبة الفضائية. أنظمة دعم الحياة في الفضاء معقدة ودقيقة. يمكن أن تساعد المواد المبتكرة الحساسة للرطوبة في الحالة الصلبة التي طورتها وكالة ناسا في الكشف عن التسربات الصغيرة في هذه الأنظمة ، لأنها حساسة لأصغر التغييرات في الهواء ، والتي تسمح لرواد الفضاء بتنفيذ الإصلاحات اللازمة ومنع أي مشاكل خطيرة.

تقدم هذه التطبيقات المتنوعة صناعات جديدة لتقنية ناسا ، ويشيد موراي بوكالة الفضاء على ذلك.

ويقول: "إذا قالت ناسا أنها تعمل ، فعندئذ تعمل". "ناسا شريك عظيم لأنهم ملتزمون حقًا ليس فقط بعملهم ، ولكن أيضًا بعملية التسويق".

يبحث رولين وفريقه عن تطبيقات فضائية للاستفادة من هذا الاكتشاف غير المتوقع.

ويوضح قائلاً: "الآن بعد أن علمنا أن مادتنا الجديدة حساسة للرطوبة ويبدو أنها تتحمل ارتفاعات درجة الحرارة ، يمكننا وضعها بأمان في أحد مقاعد الاختبار". "إذا كان أداؤها جيدًا ، فستحصل ناسا على مستشعر أصبح ممكنًا من خلال شراكة مع Roscid."

من المخطط إرسال المستشعر إلى الفضاء أثناء رحلة تجريبية إلى محطة الفضاء الدولية المرتبطة بالمواد. ستثبت الرحلة الناجحة أنه يمكن استخدام المواد الجديدة في الرحلات المستقبلية.

مع ملاحظة أن وكالة ناسا تستخدم مستشعرات الرطوبة في المحطة الفضائية لأنظمة المراقبة البيئية وأنظمة دعم الحياة ، قدمت Rolin مستشعرًا مصغرًا سيساعد على مراقبة كل شيء بدءًا من إيقاف تنفس رواد الفضاء أثناء النوم ، إلى الكشف المبكر عن التسريبات الخطيرة في النظام.

أما بالنسبة لاستخدام المكثفات الفائقة ، فإن النتائج الأولية واعدة ، ولا تزال هناك العديد من الاختبارات في المستقبل.

يقول رولين: "قد يكون من الممكن إنشاء نظام مدمج يعمل على تراكم الطاقة ، ويعمل أيضًا كمستشعر للرطوبة في الصواريخ والمركبات الفضائية الأخرى".

- automotive . 2500 , 650 .

, , . ( 30, ), -, -, - (DSP-) .

, . , , , . , automotive. , , .

أصبح مكثف ناسا ... متر الرطوبة

تغيير التكنولوجيا

فوائد

More articles: