📑 🤵🏾 🌇 Der Ultrakondensator der NASA ist ... ein Feuchtigkeitsmesser geworden 🚓 🍩 ☔️

Mit Technologie kann vieles nicht so gehen (und gehen), wie wir es möchten. Dr. Terry Rolin, Analyst für Fehlfunktionen elektronischer Systeme im Marshall Space Flight Center, weiß dies aus erster Hand.

Seine Aufgabe ist es, Lösungen für Probleme zu finden, und wenn er sie nicht finden kann, beginnt er zu erfinden. Als Rolin und sein Team 2011 angewiesen wurden, herauszufinden, was den Ausfall eines großen Batteriesystems verursacht hat, haben sie über die grundlegende Frage nachgedacht: Können wir eine bessere Stromquelle entwickeln?

Basierend auf den Erfahrungen des Teams in den Materialwissenschaften machten sich Rolin und sein Team an die Arbeit. Sie begannen, das Problem von Grund auf zu lösen, untersuchten die idealen Eigenschaften der Stromquelle und versuchten, Materialien zu finden, die diese Kriterien besser erfüllen als herkömmliche.

„Wir haben begonnen, mit festen Materialien zu arbeiten, um von Flüssigkeiten und Gelen wegzukommen und giftige Materialien zu vermeiden“, erklärt Rollin. Und nach einigen hochmodernen Entwicklungen mit Nanomaterialien sagte er: "Wir haben es geschafft, ein neues Gerät zu erfinden, das wir als Ultrakondensator bezeichnen."

Dieser neue NASA-Ultrakondensator besteht aus festem Material zur Speicherung von Energie und ist sicherer als Batterien aus giftigen Flüssigkeiten und Gelen. Während des Tests zeigte er eine erstaunliche Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit.

Die neue Erfindung des Rolin-Teams steht stellvertretend für eine neue Klasse von Netzteilen, die eine Art Hybrid zwischen Superkondensatoren und Batterien darstellen. Insbesondere kombiniert es eine hohe Kapazität (Fähigkeit zum Speichern von Ladung) mit "Entladungseigenschaften, die Batterien inhärent sind", d.h. bietet konstante Leistung über die Zeit. Da es aus einem Halbleitermaterial besteht, ist es auch widerstandsfähiger gegen widrige Bedingungen wie Temperaturänderungen im Raum und sicherer herzustellen und zu betreiben als herkömmliche Batteriesysteme.

Die versehentliche Entwicklung eines Halbleiter-Feuchtesensors überraschte die NASA-Ingenieure bei der Arbeit an neuen Energietechnologien. Versuche, einen Ersatz für Batterien aus giftigen Materialien zu finden, haben zur Entwicklung eines neuen Feuchtigkeitssensors geführt, der Messwerte über den Feuchtigkeitsgehalt im Kühlschrank oder Raumschiff liefern kann.

Rolin und sein Team hoffen, dass dieses revolutionäre Material eine große Zukunft im Weltraum und in kommerziellen Energiesystemen hat. Gleichzeitig hat die Eigenart der Eigenschaften ihres innovativen Materials unerwartete Anwendungen eröffnet.

In den frühen Testphasen bemerkte Rolin ein interessantes Merkmal, das er nicht erklären konnte: „Ein gutes Energiespeichersystem sollte eine große Kapazität haben“, sagt er. „Als ich den Ultrakondensator in der Hand hielt und testete, war die Kapazität sehr hoch. Aber als ich es auf den Tisch legte und erneut testete, fiel es stark ab. "

Anfänglich glaubten die Ingenieure, dass die Kapazität durch die Hitze von Rolins Körper beeinflusst wird, und führten daher Tests in einer Wärmekammer durch. Die Kapazität hat sich nicht geändert.

„Bald wurde uns klar, dass es die Feuchtigkeit in der ausgeatmeten Luft war, die diese großen Veränderungen verursachte“, erklärt Rolin. "Wir haben es in einer Feuchtigkeitskammer getestet und natürlich die enorme Reaktion des Tanks auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit gesehen."

Der neue Ultrakondensator von Rolin erwies sich als feuchtigkeitsempfindliches Halbleiterelement.

Technologischer Wandel

Feuchtigkeitssensoren messen die Feuchtigkeitsmenge in der Luft, indem sie Änderungen erfassen, die sich auf elektrische Ströme oder die Temperatur auswirken. Der NASA-Ultrakondensator reagiert äußerst empfindlich auf sich ändernde Bedingungen und erkennt kleinste Verschiebungen. Außerdem erholte er sich schnell, da er die gesammelte Oberflächenfeuchtigkeit leicht ableitete.

Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu messen, testete das Team seine Leistung mit handelsüblichen Feuchtesensoren und stellte fest, dass diese schneller war. Laut Rolin brauchten sie nach all den Feuchtigkeitstests, die sie im Werk hätten durchführen können, einen Partner in der Branche, um umfassendere Kontrollen durchzuführen.

Er suchte Hilfe beim Technologietransferbüro in Marshall. Das Büro kündigte diese Technologie an und Roscid Technologies Inc. mit Sitz in Woburn, Massachusetts, kontaktierte die NASA. Das Unternehmen liefert der NASA hochwertige Analysegeräte zum Testen hochreiner Gasmessungen. Roscid wurde angeboten, die neue Technologie zu testen, weil das Personal fasziniert war. Gemeinsame Arbeiten am Feuchtigkeitssensor ermöglichten die Erforschung einer neuen Technologie, die bei ihrer ersten Untersuchung vielversprechend aussah.

"Wir haben Terry gebeten, einige Muster zu senden", erklärt Ken Murray, Vice President für New Business Development. „Zunächst hatten wir die Idee zu sehen, wie langlebig das Material ist und wie gut es unter verschiedenen Bedingungen funktioniert.“

Die Tests werden in "eher unangenehmen Umgebungen" durchgeführt, einschließlich "schrecklicher Chemikalien, plötzlicher Temperaturänderungen und mit einer großen Anzahl von Arbeitszyklen". Das Unternehmen hat bestätigt, dass das neu erstellte NASA-Material zusätzlich zu seinen Hauptvorteilen einen Mehrwert bietet.

Die Größe der empfindlichen Oberfläche, die zur Erfassung von Änderungen der Luftfeuchtigkeit und der Signalausgabe benötigt wird, hängt von einer Reihe von Faktoren ab: der Art des empfindlichen Materials, der Umgebung und der Anwendung. Die meisten Sensoren verwenden Polymer- oder Keramikmaterialien, die möglicherweise eine geringe Empfindlichkeit aufweisen. Daher sollten sie groß genug sein.

Das Problem, auf das alle vorhandenen Sensoren stoßen können, ist die Beschädigung durch die von ihnen gemessene Feuchtigkeit. Im Laufe der Zeit absorbieren die Sensoren Flüssigkeit, was zur Erosion des empfindlichen Materials führt. Dies führt zu einer Verzerrung der Messwerte oder zu einem vollständigen Anhalten des Sensors. In diesem Zusammenhang ist eine kontinuierliche Überwachung erforderlich, um die Datengenauigkeit sicherzustellen und beschädigte Blöcke zu ersetzen. Dies bedeutet, dass die meisten Sensoren nur von kurzer Dauer sind, was die Kosten für die Wartung des Systems erhöht.

Feuchtigkeit ist ein Problem für die Produktion in vielen Branchen, einschließlich Pharmazeutika. Daher ist die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts von entscheidender Bedeutung. Wenn der Sensor ausfällt oder die Kalibrierung fehlschlägt, kann dies zu erheblichen Verlusten führen. Der neue Halbleiter-Feuchtesensor der NASA kann die Branche mit robusterer Hardware revolutionieren.

Murray stellte fest, dass eine kleine Menge neuen NASA-Materials, etwa ein Hundertstel Zoll, ausreicht, um konsistente und genaue Messwerte zu erhalten. Um dieses Signal in aussagekräftige Daten umzuwandeln, hat Roscid elektronische Komponenten entwickelt und verbessert, die mit dem neuen Material kompatibel sind.

„Als wir uns eingehender mit dem Sensor befassten, wollten wir ihn auf ein neues Niveau bringen“, sagt Murray. „Jedes Mal, wenn wir feststellten, dass wir etwas Neues gelernt haben, hat Terry die Technologie leicht optimiert. Der Sensor ist für die von uns getesteten Anwendungen etwas zuverlässiger geworden. “

Roscid unterzeichnete mit Marshall zwei Evaluierungslizenzen, um über die NASA-Testanforderungen hinauszugehen. Als Murray sich mit Proben an potenzielle neue Kunden wandte, sagte er, dass "die Reaktion überwiegend positiv war". Daher unterzeichnete das Unternehmen eine nicht exklusive Lizenz und begann 2019 mit der Vermarktung seines Feuchtigkeitssensormodells CBNS215.

Leistungen

Solche Sensoren werden in Umgebungen benötigt, in denen die Luftfeuchtigkeit kontrolliert werden muss, um bestimmte Bedingungen aufrechtzuerhalten oder um zu verhindern, dass Feuchtigkeit in das Produkt eindringt. Zusätzlich zur routinemäßigen Wartung und zum Austausch des Sensors sind Feuchtigkeitskontrollsysteme mit Ausfallzeiten konfrontiert, die teure Kalibrierungsverfahren erfordern. Roscid glaubt, dass NASA-Sensoren diese Belastung erheblich reduzieren werden. Murray nennt als Beispiel die Pharmaindustrie.

"Nach der Verarbeitung jeder Charge von Arzneimitteln müssen Pharmaunternehmen die Sensoren auf Kalibrierungsstandards überprüfen, um sicherzustellen, dass sie nicht abweichen", sagt er. "Wenn ein Gerät ausfällt, muss es den letzten Stapel zurückziehen und neu erstellen oder unter Quarantäne stellen."

Mit zuverlässigen Sensoren können Unternehmen die Kalibrierungszyklen verlängern, was sich erheblich auf das Endergebnis auswirkt.

Sensoren können nach einem „Feuchtigkeitsereignis“ abweichen oder ausfallen. Die Kondensation am Sensor kann entweder gering oder erheblich sein, beispielsweise wenn der Sensor in eine Flüssigkeit eingetaucht ist. Da aus neuem Material Feuchtigkeit austritt, können diese Probleme der Vergangenheit angehören.

"Das empfindliche Material der NASA ist ein Halbleiterdesign, es muss nichts gespült werden", erklärt Murray.

Diese Zuverlässigkeit ist ein wesentliches Merkmal für Anwendungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und niedriger Temperatur wie Kühlung. Während sich die Kühlschranktür ständig öffnet und schließt, ändern sich Feuchtigkeit und Temperatur ständig. Die Aufrechterhaltung idealer Bedingungen ohne ständige Überwachung ist äußerst schwierig.

Ein Hersteller hochwertiger Haushaltskühlschränke testet den CBNS215-Sensor in einem Gemüsetablett. Ziel ist es, die Luftfeuchtigkeit bei 37 ° F bei 95 Prozent zu halten. Bisher hat das Unternehmen keinen einzigen Sensor gefunden, der die Luftfeuchtigkeit lange Zeit stabil hält.

"Es gibt einen Test, den diese Leute durchführen, und er ist ziemlich kompliziert", sagt Rolin. „Roscid hat einen ähnlichen Test alleine durchgeführt, und laut ihnen hat nur unser Sensor ihn erfolgreich bestanden. Das ist ziemlich cool. "

Rolin möchte eine Lösung für ein wichtiges Problem finden, mit der Verbraucher und Gasunternehmen Millionen von Dollar sparen können. Dieses Problem ist das Eindringen von Wasser in Benzin.

Murray glaubt, dass ein neuer Sensor helfen kann. „Durch die Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts in unterirdischen Benzinlagertanks kann die Wahrscheinlichkeit verringert werden, dass Wasser in Ihr Auto gelangt“, erklärt er. In den Kraftstofftanks von Autos können auch Sensoren installiert werden, die den Fahrer vor dem Eindringen von Feuchtigkeit in das Kraftstoffversorgungssystem warnen.

Öl- und Gasunternehmen haben ebenfalls Interesse an der CBNS215 gezeigt. Sie brauchen Technologie, die bei niedrigen Taupunkten und bei Temperaturen bis zu -70 Grad Celsius funktioniert. Die derzeit verwendeten Aluminiumoxidsensoren weisen schwerwiegende Einschränkungen auf - lange Reaktionszeiten und lange Trocknungszeiten. Es kann einige Tage oder Wochen dauern, bis das System nach Einwirkung von Feuchtigkeit zu arbeiten beginnt. Murray hat sich mit der Industrie zusammengetan, um sicherzustellen, dass der NASA-Sensor ein echter Ersatz ist.

Kaltsterilisation, gekühlte Transportbehälter und Lastwagen sowie Fluggesellschaften sind nur einige Beispiele für Branchen, die daran interessiert sind, neue Sensortechnologien zu diskutieren und mit Roscid zu diskutieren.

"Für Militärflugzeuge ist es besonders nützlich, einen Feuchtigkeitssensor zu haben, der den Taupunktpegel in der Atmosphäre, durch die das Flugzeug fliegt, genau anzeigt", erklärt Murray. "Diese Aufgabe wird untersucht."

Diese Kopie des SpaceX Crew Dragon-Raumfahrzeugs wird derzeit Tests des Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssystems für die Raumfahrzeugbesatzung unterzogen. Lebenserhaltungssysteme im Weltraum sind komplex und heikel. Das von der NASA entwickelte innovative feuchtigkeitsempfindliche Festkörpermaterial kann dazu beitragen, kleine Lecks in diesen Systemen zu erkennen, da es empfindlich auf kleinste Luftveränderungen reagiert, sodass Astronauten die erforderlichen Reparaturen durchführen und ernsthafte Probleme vermeiden können.

Diese vielfältigen Anwendungen führen neue Industrien in die NASA-Technologie ein, und Murray würdigt dafür die Space Agency.

"Wenn die NASA sagt, dass es funktioniert, dann funktioniert es", sagt er. "Die NASA ist ein großartiger Partner, weil sie sich nicht nur ihrer Arbeit, sondern auch dem Kommerzialisierungsprozess wirklich verpflichtet fühlen."

Rolin und sein Team suchen nach Weltraumanwendungen, um von dieser unerwarteten Entdeckung zu profitieren.

„Jetzt, da wir wissen, dass unser neues Material feuchtigkeitsempfindlich ist und Temperaturspitzen zu tolerieren scheint, können wir es sicher in einen unserer Prüfstände stellen“, erklärt er. "Wenn es gut funktioniert, wird die NASA über einen Sensor verfügen, der durch eine Partnerschaft mit Roscid ermöglicht wird."

Der Sensor soll während eines experimentellen Fluges zur ISS im Zusammenhang mit Materialien in den Weltraum geschickt werden. Ein erfolgreicher Flug wird beweisen, dass das neue Material in zukünftigen Flügen verwendet werden kann.

Rolin stellte fest, dass die NASA Feuchtigkeitssensoren an der Raumstation für Umweltüberwachungs- und Lebenserhaltungssysteme verwendet, und führte einen Miniatursensor ein, mit dem alles überwacht werden kann, vom Stoppen der Atmung von Astronauten im Schlaf bis zur Früherkennung gefährlicher Lecks im System.

Für die Verwendung von Ultrakondensatoren sind die vorläufigen Ergebnisse vielversprechend, und es stehen noch viele Tests an.

„Möglicherweise kann ein kombiniertes System geschaffen werden, das Energie ansammelt und auch als Feuchtigkeitssensor in Raketen und anderen Raumfahrzeugen dient“, sagt Rolin.

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Der Ultrakondensator der NASA ist ... ein Feuchtigkeitsmesser geworden

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