Естествознание

Физики МГУ изобрели новый датчик контроля состава воздуха

Александр Сергеевич Ильин, физический факультет МГУ

Физики Московского университета (МГУ им. М.В. Ломоносова) в сотрудничестве с их коллегами из Курчатовского института и НИФХИ им. Л. Я. Карпова изобрели газовый датчик воздуха, который без нагревания сможет следить за средой на атомных электростанциях, на космических кораблях и подводных лодках.

В отличие от своих предшественников, наноструктурированный датчик не требует нагревания, ему достаточно света. Благодаря этому снижается такая важная статья расходов, как потребление электроэнергии.

Повышенная чувствительность датчика к водороду возникает из-за использования композитов на основе оксидов цинка и индия определённой структуры (нанокристаллических). Исследования этой структуры проводились методами просвечивающий электронной микроскопии и рентгеновской дифракции. Их результаты говорят о том, что датчик может идти в разработку и со временем заменить собой аппаратуру  предыдущего поколения.

Культурно-политический журнал “Э-Вести” обратился к одному из авторов исследования, сотруднику физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Александру Сергеевичу Ильину с тем, чтобы он рассказал нашим читателям о коммерческом и научном контекстах своего важного изобретения.

ЭВ: Александр Сергеевич, есть ли расчёты коммерческого внедрения датчиков, интерес к ним со стороны бизнеса?

Ильин А.С.: Расчеты коммерческого внедрения не проводились, однако имеются некоторые соображения на этот счет. Одной из основных проблем существующих газовых датчиков является довольно высокое энергопотребление – порядка 100 мВт (оценка снизу). Практически все энергопотребление идет на питание нагревательного элемента, поддерживающего чувствительный элемент датчика при рабочей температуре.

В принципе работы предлагаемого нами датчика лежит освещение чувствительного элемента зеленым светом вместо нагрева. Таким образом, конструкция нашего датчика такая же, как и у классического полупроводникового газового датчика, за исключением того, что в нашем датчике отсутствует нагревательный элемент и установлен зеленый светодиод. По нашим оценкам, энергопотребление светодиода может быть порядка 1мВт. Стоимость зеленого светодиода малой мощности (при покупке партий от 1 тыс. шт ) менее 1 рубля. При этом стоимость реализуемых в настоящее время полупроводниковых датчиков варьируется в пределах нескольких тысяч рублей. В итоге, при той же цене предлагаемые нами датчики имеют на 2 порядка меньшее энергопотребление и сниженную рабочую температуру, расширяющую сферы применения таких датчиков.

Производство полупроводниковых датчиков должно быть довольно объемным и постоянным, так как, в среднем, полупроводниковые датчики, как и широко распространенные электрохимические датчики, нуждаются в ежегодной замене.

Nanodatchik
Нонодатчик

ЭВ: Каковы сегодня основные направления поисков в решении проблем газовых датчиков в мире? Ведь это сопряжено с рядом производственных и энергетических задач, поэтому во всем мире должны искать решения

Ильин А.С.: Для датчиков, которые сигнализируют об утечках опасного газа или о превышении концентрации вредоносного газа предельно-допустимой концентрации, важны скорость реакции датчика, быстрота восстановления датчика после реакции, селективность и чувствительность.

Из доступных на рынке датчиков полупроводниковый тип является наиболее дешевым, простым в использовании, чувствительным и мобильным. Что касается полупроводниковых датчиков, ведется поиск по двум направлениям. Первое – подбирается чувствительный материал с высокой чувствительностью к низкой концентрации детектируемого газа, обладающий быстрой реакцией на детектируемый газ и быстро восстанавливающийся, и второе – определяется режим работы датчика. Классические полупроводниковые датчики работают при нагреве. Для улучшения селективности к газам и уменьшения энергопотребления исследуются возможности использования импульсного нагрева (режима работы, при котором нагрев включается периодически с определенной частотой и длительностью). Также ведутся исследования и патентуются способы, когда температура чувствительного слоя все время изменяется, а по поведению электрического сопротивления чувствительного элемента определяется концентрация детектируемого газа. Однако, помимо сложности обработки получаемых результатов, эти режимы работы не приводят к значительному уменьшению энергопотребления, а рабочая температура остается высокой.

Кроме классических ведутся разработки полупроводниковых датчиков, работающих при освещении ультрафиолетовым светом, но светодиоды, используемые для этого, на порядок дороже светодиодов видимого диапазона, имеют низкий коэффициент полезного действия и, соответственно, высокое энергопотребление.