Дрон с носом

Два десятиклассника из инженерного и IT-классов московской школы № 2065 собрали дрон с сенсорным носом, с помощью которого можно искать тлеющие торфяники. Как они его испытывают и совершенствуют, рассказала педагог школы Любовь Оболенская — руководитель этого проекта, кандидат химических наук и член добровольной пожарной команды.

Научить коптер нюхать

Тлеющие торфяники определяются по запаху. Их разведка ведётся в основном пешком и с помощью обычного человеческого носа. Но с этой задачей может справиться и самый обыкновенный дрон, если как-то научить его чувствовать запах тлеющего торфа. Нам в школу в рамках городских проектов предпрофессионального образования поставили гоночные квадрокоптеры «Технолаб» с обычной защитой для лопастей. Они, по сути, конструкторы. Школьники сами их собрали, но ничего особенного в этих аппаратах нет.

Хотя дрон для нашего исследовательского проекта подходит самый обычный, какие-то модификации ему всё равно требуются. Например, мы установили на наш квадрокоптер опору для сенсорного носа, которую сами спроектировали и распечатали на 3D-принтере. Датчик носа должен находиться как можно дальше от самого аппарата, потому что вращающиеся лопасти отбрасывают вниз поток воздуха, в том числе молекулы газа, по которым определяется тление торфяников. Это может вносить погрешность в измерения.

Ещё датчик требует энергии — ему необходим циклический нагрев до температуры 500 градусов по Цельсию. Поэтому, чтобы не утяжелять дрон, мы запитали датчик от аккумулятора самого беспилотника.

Природа сенсорного носа

Во время горения вещества кислород отнимает у него электроны. Продукт полного сгорания органических веществ — это углекислый газ с углеродом в высшей степени окисления. В результате неполного сгорания, например, тления, образуются угарный газ, акролеин и другие вещества. Их ещё называют пиролизными газами. Они содержат углерод в промежуточных степенях окисления.

Когда молекулы пиролизных газов попадают на металлическую сетку датчика сенсорного носа наших дронов и там закрепляются, поданный ток разогревает эту сетку до 500°С. Молекулы, по сути, дожигаются, и выделяют тепло. Это тепло уже можно зафиксировать и пересчитать в количество молекул. Электрический сигнал от датчика оцифровывается и визуализируется с помощью светодиодов, установленных на дроне. На языке программирования Arduino мы задали значения, при которых они загораются зелёным, желтым или красным. Зелёный цвет показывает, что пиролизных газов в атмосфере мало, жёлтый — что их умеренное количество, а красный — что критическое.

Катализаторы в школьной лаборатории

Мы с Иваном Виноградовым и Иваном Башмаковым синтезируем и усовершенствуем катализатор, без которого нагревать сетку датчика пришлось бы до 1200 градусов. Она бы этого не выдержала, как и дрон, к тому же для нагрева понадобилось бы гораздо больше энергии.

Правильно подобранный катализатор облегчает протекание химических реакций. У нас им служит наноразмерный диоксид олова с добавками. Он позволяет даже при невысокой — для работы датчика — температуре в 500°С дожигать все молекулы пиролизных газов, собравшиеся на сетке.

В качестве датчиков для дрона используются модифицированные серийные газовые сенсоры. Фото Любови Оболенской.

Чтобы такой эксперимент провести в школе, конечно, требуется высокотехнологичное оборудование. К счастью, у нас в лаборатории оно есть. Например, мы используем атомно-силовой микроскоп для сканирования нанорельефа катализатора, с помощью спектрофотометра изучаем зонную энергетическую структуру образцов нано-диоксида олова, а для контроля условий химического синтеза пользуемся различными цифровыми датчиками, например, pH-метрами. Всё это, как и коптеры, нам поставили по городским проектам предпрофессионального образования.

Если мы решим дальше развивать проект в IT-направлении, это будет работа над передачей данных о концентрации газов по телеметрии, чтобы оператор смог получать конкретные значения и сам делать выводы.

Испытания пиролизом

Чтобы проверить, как наш дрон сможет унюхать настоящие пиролизные газы, мы полностью смоделировали процесс тления торфяника. Для этого достаточно обеспечить термическое разложение торфа в условиях недостатка кислорода. В колбу Вюрца (которая с боковым отводом) ребята положили кусочек торфяного горшочка, и герметично её закрыли. Вывели из бокового отвода шланг в самую примитивную разновидность химической ловушки — стакан с водой. При сильном нагреве колбы с торфом образующиеся пиролизные газы из неё попадали сначала в ловушку, откуда уже потом выделялись в воздух, а парящий над ней дрон их успешно фиксировал.

Следующий шаг — проверить наш дрон в реальных условиях, может быть, для коптерной разведки торфяников, которую делают добровольные лесные пожарные. Но для этого нужен прочный датчик, на сетку которого мы нанесём наш нанооксидный катализатор. Датчики, которые есть сейчас у нас, к сожалению, недостаточно прочные, чтобы их использовать в полевых условиях.

От лесных торфяные пожары отличаются отсутствием открытого огня — торф не горит, а тлеет, причём довольно глубоко под землёй или даже под слоем воды. Единственным указателем на тлеющий торф может быть небольшой дым или запах горелого торфа. Торфяники часто располагаются в труднодоступных местах, кроме того, от выгорания торфа под землёй образуются пустоты, попадание в которые смертельно опасно. Фото: Geoff Whalan/Flickr.com

Планы на будущее

Я думаю в январе в школе с учениками начать проект по созданию системы против запотевания визора в масках замкнутых дыхательных аппаратов, в которых работают пожарные. Пока с запотеванием борются простым дедовским способом, смазывая визоры средством для мытья посуды. Я думаю над тем, как с помощью наноразмерного диоксида титана или сорбента защитить поверхность маски от воздействия влаги, причём раз и навсегда.