И они становятся всё меньше, эффективнее и умнее. К наиболее интересным направлениям исследований относятся датчики газа, потому что, с одной стороны, химические величины всегда труднее распознать и измерить по сравнению с физическими, а с другой стороны, они открывают привлекательные и полезные возможности. Один из примеров - датчик качества воздуха, разработанный в лабораториях компании Siemens Corporate Technology. "До шестидесяти процентов всей энергии в офисных зданиях расходуется только на кондиционирование воздуха", - рассказывает Максимилиан Флейшер, руководитель рабочей группы по химическим датчикам Siemens Corporate Technology. Это слишком много, к тому же во многих случаях просто неэффективно.
Лучший климат. Недостаток систем кондиционирования воздуха с центральным управлением проявляется в конференц-залах и помещениях для семинаров: воздух там кондиционируется весь день, хотя они используются всего несколько часов. Но если конференц-зал заполнен целиком, качество воздуха резко снижается, так как через кондиционер проходит слишком мало воздуха, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на внимании и концентрации участников конференции. Обе эти ситуации проигрышные: с одной стороны, бесполезный расход энергии, с другой - неэффективное использование. Случай как раз для Максимилиана Флейшера - одного из ведущих исследователей в своей области, имеющего десятки патентов, - и его коллег.
Уже сегодня есть измерительные приборы для определения уровня качества воздуха. Но они слишком дороги для широкомасштабного использования. Поэтому Siemens Corporate Technology работает над более дешёвой альтернативой - чипом "всё-в-одном" - датчиком комфорта, который даёт возможность объединить датчики в офисном здании в гораздо более плотную сеть и дифференцировано регулировать климат в помещениях. Причём датчик должен быть на несколько порядков дешевле существующих.
Потенциал огромен. По оценке Флейшера, таким способом можно будет сэкономить до 50% энергии, расходуемой на кондиционирование воздуха.
Четыре параметра. Датчик размером с ноготь измеряет 4 параметра: в первую очередь, температуру. Во-вторых, содержание С02 в воздухе, которое должно составлять около 380 частей на миллион, что примерно соответствует нормальному его содержанию в атмосфере. В плохо вентилируемом помещении, где находится много людей, концентрация СО2 быстро превышает 1000 частей на миллион, что приводит к определённым физиологическим реакциям, как правило, к усталости. В-третьих, уровень запахов, например, связанных с несвежими ковровыми покрытиями, которые, по словам Флейшера, "характеризуются наличием летучих углеводородов". И, наконец, относительную влажность воздуха, которая должна составлять от 40 до 60%. "Разработка кремниевого чипа, на который наносятся рецепторы запахов и газов, значительно продвинулась", - подтверждает Флейшер; он уже думает над дальнейшими разработками. "Мы хотим научиться определять не только запахи, но и опасные для здоровья газы, которые человек не воспринимает, например, формальдегид". Для этого нужны рецепторы, определяющие ароматические углеводороды, угарный газ и оксиды азота. В кондиционерах автомобилей такие датчики уже есть; в этом случае задача не настолько сложна. "Определить густое облако выхлопных газов, в которое въезжает машина, проще, чем постепенное увеличение опасного вещества во вдыхаемом воздухе".
Датчики возгорания. Датчики запахов, кроме того, представляют собой интересную альтернативу или дополнение к обычным оптическим датчикам возгорания, которые распознают клубы дыма. В отличие от них, датчики запаха - как и человек - могли бы распознавать запах тления и идентифицировать очаг возгорания ещё до того, как появится дым. Однако только умных датчиков недостаточно. "В конце концов, - поясняет Флейшер, - встанет вопрос об их интеграции в комплексные системы более высокого уровня. Для этого нам потребуются новые процессы производства и управления". Проще говоря: в будущем системы кондиционирования должны стать самообучающимися. Благодаря сигналам и информации, получаемым отдатчиков, они будут кондиционировать воздух в каждом помещении в зависимости от его характеристик, причём необходимость в ручной настройке управления отпадёт полностью.
Чистая вода? Из-за постоянного роста населения планеты, изменений климата, роста сельскохозяйственного производства и индустриализации вопросы снабжения чистой питьевой водой становятся всё более острыми. "Проблема состоит в том, - говорит Флейшер, - что в воде может быть почти бесконечное число вредных веществ: ядохимикаты, тяжёлые металлы, химические остатки и обычная грязь. Из-за этого проверка качества воды с помощью датчиков оказывается слишком дорогой, а непрерывный контроль практически невозможен". По этой причине в качестве индикаторов качества воды до сих пор активно используются форель или моллюски - своего рода живые датчики. Однако такая практика связана, с одной стороны, с этическими вопросами, а с другой стороны, поставляемые ими сведения невозможно стандартизовать.
Живые датчики. Компания Siemens Corporate Technology работает над оцифровкой этого принципа и разработкой живых датчиков. С этой целью на чип наносятся специальные клетки; их поведение контролируется. "Дыхание, обмен веществ, форма - всё это говорит о том, хорошо себя чувствуют клетки или нет", - говорит Флейшер.
Для этой цели используются клетки из банков клеток; их можно размножать в любых количествах и выбирать вид, подходящий для конкретной цели: для промышленных очистных сооружений подходят клетки мышечной ткани крыс, так как они реагируют на широкий спектр загрязнений; для контроля качества питьевой воды можно использовать очень чувствительные клетки печени человека. В лабораториях такие чипы уже работают. "Очень скоро мы приступим к первым испытаниям в реальных условиях", - говорит Флейшер о состоянии разработки. Это направление перспективно и сточки зрения использования в "зелёных домах", в которых для экономии энергии прокладываются замкнутые водопроводы, нуждающиеся в высокочувствительных сигнальных системах. Ведутся эксперименты с бактериями и генетически модифицированными клетками, так называемыми биорепортёрами, которые специализируются на отдельных вредных веществах и начинают светиться при их обнаружении в воде или воздухе.
Самостоятельная выработка электричества. Несмотря на то, что некоторые датчики - например, разработки Siemens - становятся всё меньше и эффективнее, им всё равно нужно электричество - немного (например, датчики газа работают при комнатной температуре и потребляют очень мало энергии), но всё же. Сегодня датчики оснащаются аккумуляторами, чтобы можно было обойтись без прокладки кабелей и других строительных работ, однако ведётся работа и над более элегантными решениями: датчики должны получать энергию из окружающей среды, соответствующие фотоячейки уже появились. На стадии исследований находятся и другие решения, например, извлечение энергии из движения, изменения температуры или радиоволн. "Требуемые объёмы энергии очень малы", - поясняет Флейшер.
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
