Optyka zastępuje elektronikę. Cienkie jak włos szklane włókno
Naukowcy z Uniwersytetu w Szanghaju opracowali mikrofon, który w całości wykonano ze szkła krzemionkowego. Urządzenie jest w istocie specjalnie zmodyfikowanym włóknem światłowodowym o średnicy zaledwie 125 mikrometrów, czyli mniej więcej grubości ludzkiego włosa. W przeciwieństwie do tradycyjnych czujników, nie potrzebuje ono żadnych zewnętrznych obwodów czy skomplikowanych obudów. Cała mechanika, czyli wibrująca membrana i mikroskopijne szklane belki tworzące interferometr, jest wytrawiona laserowo wewnątrz samego włókna. Działa to dzięki efektowi fotoelastycznemu. Gdy fala dźwiękowa uderza w szklaną membranę, zmienia się sposób, w jaki światło przez nią przechodzi. Mierząc te subtelne zmiany optycznie, urządzenie potrafi wykrywać ultradźwięki w bardzo szerokim zakresie, od 40 kHz do 1,6 MHz. To częstotliwości, na których pracują często pierwsze sygnały zbliżającej się awarii mechanicznej lub elektrycznej.
Czytaj też: Dom z ziemi, który przetrwa trzęsienie ziemi. Ta japońska innowacja zmienia myślenie o budownictwie
Konwencjonalne czujniki elektroniczne często ulegają awarii pod wpływem naprężeń termicznych lub cierpią z powodu poważnych zakłóceń sygnału. Nasz całkowicie światłowodowy mikrofon może przetrwać w niebezpiecznych środowiskach i jest całkowicie odporny na zakłócenia elektromagnetyczne, pozostając jednocześnie wystarczająco czułym, aby usłyszeć subtelne wczesne sygnały ostrzegawcze o awarii sprzętu – tłumaczy Xiaobei Zhang z Uniwersytetu w Szanghaju
Test w piekielnym żarze: 100 minut w temperaturze 1000 stopni
W ramach testu badacze umieścili szklany mikrofon w piecu rozgrzanym do 1000 stopni Celsjusza i pozostawili go tam na 100 minut. Przez cały ten czas urządzenie nie tylko przetrwało, ale także bez zarzutu przesyłało sygnały akustyczne. Sprawdzono je również w wodzie i w powietrzu, za każdym razem potwierdzając jego czułość. Kluczem do tej wytrzymałości jest monolityczna konstrukcja. Ponieważ cały mechanizm czujnika jest integralną częścią włókna, nie ma delikatnych połączeń, klejów czy dodatkowych osłon, które mogłyby się rozwarstwić lub stopić. To rozwiązanie problemu z głowy.
Cała struktura interferometryczna jest zintegrowana bezpośrednio w cienkim jak włos włóknie. Ta samopakująca się monolityczna konstrukcja umożliwia bezproblemowe wdrożenie w środowiskach o wysokiej temperaturze i ograniczonej przestrzeni bez potrzeby dodatkowej ochrony – dodaje Zhang
Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne to równie istotna zaleta. W transformatorze wysokiego napięcia tradycyjny czujnik elektryczny zostałby po prostu „oślepiony” przez panujące tam pole. Światłowód jest na to całkowicie obojętny, co otwiera drogę do uzyskania wiarygodnych danych z miejsc dotąd niedostępnych.
Zastosowania od energetyki po silniki odrzutowe
Najbardziej oczywistym miejscem dla tej technologii są właśnie transformatory. We wnętrzu tych urządzeń mogą powstawać tzw. wyładowania niezupełne, czyli mikroskopijne iskry, które z czasem degradują izolację i prowadzą do poważnych awarii, a nawet eksplozji. Wczesne ich wykrycie ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa sieci.
Nasz całkowicie światłowodowy mikrofon można umieścić bezpośrednio w transformatorach napięcia, aby w czasie rzeczywistym nasłuchiwać drobnych wewnętrznych iskier elektrycznych, zapobiegając awariom zasilania lub eksplozjom i utrzymując bezpieczeństwo naszego zasilania + objaśnia autor badań
Czytaj też: Miniaturowe trzęsienia ziemi zmieniają smartfony. Szalony eksperyment może nieźle namieszać
Perspektywy sięgają jednak znacznie dalej. Taki czujnik mógłby służyć do kontroli jakości w przemyśle, nasłuchując ultradźwiękowych sygnałów pękania materiałów. W medycynie mógłby znaleźć zastosowanie w zaawansowanych systemach obrazowania. Branża lotnicza również byłaby zainteresowana, wszak monitoring pracy silników odrzutowych w locie w czasie rzeczywistym to marzenie wielu inżynierów, które mogłoby znacznie podnieść poziom bezpieczeństwa. Jak na razie trwają prace rozwojowe, a zespół z Szanghaju planuje zwiększyć czułość urządzenia przez integrację metamateriałów akustycznych oraz eksperymentuje z zaawansowanymi metodami produkcji, łączącymi druk 3D krzemionki z precyzyjnym mikrorobieniem laserowym. Miało by to pozwolić na stworzenie ultra-wytrzymałej, jednolitej szklanej obudowy.
