Selvdrevet alarm bekæmper skovbrande, overvåger miljøet

Smokey the Bear siger, at kun du kan forhindre skovbrande, men hvad nu hvis Smokey havde en højteknologisk backup? I en ny undersøgelse, et hold videnskabsmænd fra Michigan State University designede og fremstillede et fjerntliggende skovbranddetektions- og alarmsystem drevet af intet andet end træernes bevægelse i vinden.

Som beskrevet i journalen Avancerede funktionelle materialer , enheden, kendt som MC-TENG – en forkortelse for multilayered cylindrical triboelectric nanogenerator (TENG) – genererer elektrisk strøm ved at høste energi fra den sporadiske bevægelse af de grene, hvorfra den hænger.

"Så vidt vi ved, dette er den første demonstration af en så ny MC-TENG som et skovbranddetekteringssystem, " sagde hovedforfatter Changyong Cao, der leder laboratoriet for bløde maskiner og elektronik i MSU's School of Packaging og er adjunkt i Packaging School og Departments of Mechanical Engineering, og elektro- og computerteknik.

"Det selvdrevne sensorsystem kunne kontinuerligt overvåge brand- og miljøforholdene uden at kræve vedligeholdelse efter deployering, " han sagde.

For Cao og hans team, de tragiske skovbrande i de seneste år i det amerikanske vesten, Brasilien og Australien var drivkræfterne bag denne nye teknologi. Cao mener, at tidlig og hurtig reaktion på skovbrande vil gøre opgaven med at slukke dem lettere, betydeligt reducere skader og tab af ejendom og liv.

Traditionelle metoder til detektering af skovbrande omfatter satellitovervågning, jordpatruljer, vagttårne, blandt andre, som har høje arbejds- og økonomiske omkostninger til gengæld for lav effektivitet.

Nuværende fjernsensorteknologier bliver mere almindelige, men er primært afhængig af batteriteknologi til strøm.

"Selvom solceller har været meget udbredt til bærbar elektronik eller selvdrevne systemer, det er udfordrende at installere disse i en skov på grund af skyggen eller dækket af frodigt løv, " sagde Yaokun Pang, medforfatter og postdoc associeret på Caos laboratorium.

TENG-teknologi konverterer ekstern mekanisk energi - såsom bevægelsen af ​​en trægren - til elektricitet ved hjælp af den triboelektriske effekt, et fænomen, hvor visse materialer bliver elektrisk ladede, efter at de adskilles fra et andet materiale, som de tidligere var i kontakt med.

Den enkleste version af TENG-enheden består af to cylindriske ærmer af unikt materiale, der passer ind i hinanden. Kernehylsteret er forankret ovenfra, mens bundhylsteret frit kan glide op og ned og bevæge sig fra side til side, kun begrænset af et elastisk bindebånd eller fjeder. Når de to ærmer bevæger sig ude af synkronisering, det intermitterende tab af kontakt genererer elektricitet. MC-TENG er udstyret med flere hierarkiske triboelektriske lag, øge den elektriske effekt.

MC-TENG gemmer sin sporadisk genererede elektriske strøm i en carbon-nanorørbaseret mikro-superkapacitor. Forskerne valgte denne teknologi for dens hurtige opladnings- og afladningstider, giver enheden mulighed for at oplade tilstrækkeligt med kun korte, men vedvarende vindstød.

"Ved en meget lav vibrationsfrekvens, MC-TENG kan effektivt generere elektricitet for at oplade den tilsluttede superkondensator på mindre end tre minutter, " sagde Cao.

Forskerne udstyrede den første prototype med både kulilte (CO) og temperatursensorer. Tilføjelsen af ​​en temperatursensor var beregnet til at reducere sandsynligheden for en falsk positiv kuldioxidaflæsning.