Исследователи из Сколтеха и Харбинского института технологий разработали систему оптических сенсоров с алюминиевым покрытием для мониторинга состояния промышленных конструкций. В частности, сенсоры способны выдержать агрессивную среду дистилляционной башни — сооружения, в котором нефть разделяется на фракции: бензин, керосин и так далее. Непрерывно собирая информацию о состоянии объекта, система поможет предотвратить аварию и вовремя выполнить точечную починку вместо масштабных работ по ремонту и очистке всей башни.
Российско-китайское исследование проведено по линии научного сотрудничества БРИКС и опубликовано в журнале Optics Letters. «Мы подходим к той стадии развития информационного общества, когда любой утюг или, скажем, газопровод будет непрерывно сообщать окружающему миру, как он себя чувствует и что делает. Кому-то эта информация будет нужна, кому-то нет, но она будет, и один из перспективных вариантов ее использования — мониторинг целостности конструкций. Мы будем отслеживать в реальном времени износ крыла самолета, пролета моста и так далее, предсказывать поломки и чинить конструкцию точечно и заранее, а значит, экономить время и ресурсы — это принципиально другой подход к ремонту», — рассказывает один из авторов исследования, доцент Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Аркадий Шипулин.
Для реализации такого высокотехнологичного подхода к обслуживанию сооружений и транспорта во все эти конструкции нужно внедрять массу датчиков. В том числе могут использоваться оптические сенсоры, разработкой и связыванием которых в систему занимались авторы статьи в Optics Letters, чтобы решить одну из проблем нефтеперерабатывающей промышленности.
Именно оптические сенсоры лучше всего подходят для систем охраны периметра и для мониторинга протяжённых инфраструктурных объектов, таких как ЛЭП и газопроводы, а также сооружений для хранения и переработки нефти — электроника там неприменима из-за опасности возгорания и взрыва. Оснащённое сенсорной системой, нефтехранилище само заранее «почувствует» начавшееся разрушение и поднимет тревогу, чтобы предотвратить аварию вроде масштабного разлива дизельного топлива в Норильске в 2020 году. Обслуживание станет эффективнее, потому что будет известно, что конкретно сломалось (или вот-вот сломается) на объекте.
«К нам обратилась одна компания, чтобы мы разработали сенсорную систему для мониторинга состояния ректификационной колонны — это такая башня, в которой нефть разделяется на ценные фракции. Грубо говоря, сверху заливают нефть, внизу вытекает бензин, керосин, дизель… И так оно работает. Пока не перестанет. Но никто не знает, что и где там внутри на данный момент стало засоряться или деформироваться — большой черный ящик. И когда происходит поломка, вся работа останавливается, в башне в буквальном смысле выпиливают окошко, запускают туда мужика со шваброй, и он все моет, чистит, смотрит на глаз и выходит — без инноваций», — объясняет Шипулин.
Сенсоры в ректификационную колонну никто прежде не ставил, потому что условия внутри весьма суровые. Группе Шипулина и китайским коллегам удалось разработать концепт оптической сенсорной системы, которая не только способна собирать необходимую информацию, но и будет устойчива к высоким температурам и агрессивной химии. Исследователям нужно было разрешить дилемму: сенсор должен быть в достаточной степени огражден от внешнего воздействия среды, чтобы не разрушиться, и при этом достаточно открыт, чтобы улавливать изменения в этой среде.
«Выходит противоречие: каким материалом покрыть стекловолокно, чтобы его защитить, но не отгородить напрочь от влияния снаружи? — продолжает Шипулин. — Металлические покрытия используются давно, но в первую очередь для того, чтобы как раз исключить внешние воздействия на волновод, который в этом случае, играет роль изолированного канала передачи данных. Как только речь заходит именно о сенсоре, нужен материал с похожим импедансом».
Импеданс некоторого материала — это величина, которая характеризует, как в нем распространяются в данном случае акустические волны. Исследователи рассмотрели, как различия между импедансами стекловолокна и металлического покрытия влияют на то, в какой мере падающие акустические волны отражаются сенсором обратно во внешнюю среду и, соответственно, ускользают от него. В итоге коллективу удалось подобрать материал, с которым можно максимально приблизиться к импедансу стекла с разумной стоимостью покрытия, и этим материалом оказался алюминий.
Таким образом, одна из проблем — защита, но не изоляция оптоволокна от окружающей среды — была в первом приближении решена. Тем не менее, для создания полноценной системы мониторинга с предиктивными возможностями необходимо не только ещё решить ряд подобных частных задач, но и протестировать в лабораторных условиях работу всей системы целиком. Эта работа планируется как в рамках подобных двусторонних контактов (Россия — Китай), так и в рамках приобретающего все более важную роль сотрудничества в рамках стран БРИКС.