Thiết bị phát hiện cháy rừng từ xa hoạt động bằng sức gió

Hiệu ứng điện ma sát

Theo báo cáo khoa học, đăng tải trên Tạp chí Vật liệu chức năng tiên tiến “Advanced Functional Materials”, thiết bị công nghệ mới, được gọi là MC-TENG – (viết tắt của Máy phát điện ma sát nano hình trụ nhiều lớp (TENG)), có khả năng tạo ra năng lượng điện bằng cách hấp thụ động năng từ chuyển động của các nhánh cây mà thiết bị được treo.

Nhà phát minh Changyong Cao, lãnh đạo nhóm nghiên cứu, chủ nhiệm Phòng Thí nghiệm Máy móc và Điện tử mềm tại Trường Bao bì của MSU cho biết, đây là lần đầu tiên thiết bị công nghệ mới MC-TENG được ứng dụng như một hệ thống phát hiện cháy rừng. Hệ thống cảm biến tự cấp nguồn này có thể liên tục theo dõi dữ liệu môi trường và phát hiện cháy mà không cần bảo trì sau khi lắp đặt và kích hoạt.

Các phương pháp phát hiện cháy rừng truyền thống như giám sát vệ tinh, tuần tra mặt đất, tháp canh và những phương pháp khác thường cần có số lượng nhân công lớn, nguồn tài chính cao nhưng hiệu quả thấp do chỉ phát hiện được khi đám cháy đã bùng lửa lớn và lan rộng.

Các công nghệ cảm biến từ xa hiện nay ngày càng phổ biến hơn, nhưng chủ yếu sử dụng pin cung cấp năng lượng. Pin mặt trời được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử cầm tay hoặc hệ thống tự cung cấp năng lượng, nhưng rất khó lắp đặt trong rừng sâu do bóng râm, tán cây, động vật trên cao...

Công nghệ TENG chuyển đổi năng lượng cơ học bên ngoài - chẳng hạn như chuyển động của nhánh cây - thành điện nhờ hiệu ứng điện áp ma sát, một hiện tượng mà một vật liệu nhất định sẽ tích điện sau khi di chuyển ra khỏi vật liệu thứ hai, đã tiếp xúc trước đó.

Cấu trúc đơn giản một thiết bị MC-TECH, treo trên cành cây phát hiện cháy rừng.

Cảm biến CO và nhiệt độ

Phiên bản đơn giản nhất của thiết bị TENG là hai ống hình trụ, được chế tạo bằng chất liệu độc đáo vừa khớp với nhau.

Ống lõi được neo giữ từ phía trên trong, ống bên ngoài có thể tự do trượt lên xuống và di chuyển xoay quanh, chỉ bị ràng buộc bởi dây liên kết mềm đàn hồi hoặc lò xo.

Khi hai ống hình trụ xoay chuyển không đồng bộ, sự mất tiếp xúc không liên tục sẽ tạo ra điện. MC-TENG được trang bị một số lớp điện ma sát phân cấp nhằm làm tăng sản lượng điện.

MC-TENG lưu trữ dòng điện được tạo ra từ những chuyển động lẻ tẻ trong một siêu tụ điện siêu nhỏ, được chế tạo trên cơ sở các ống nano carbon.

Các nhà nghiên cứu lựa chọn công nghệ này do thời gian sạc và xả nhanh, thiết bị có thể sạc đầy chỉ với những cơn gió ngắn nhưng thường xuyên, xuất hiện trên những tán cây rừng.

Ông Cao cho biết, với tần số rung động rất thấp, MC-TENG có thể tạo ra dòng điện hiệu quả, đủ để sạc siêu tụ điện của thiết bị chỉ trong vòng chưa đầy ba phút.

Các nhà nghiên cứu đã lắp cho nguyên mẫu ban đầu cả cảm biến khí carbon monoxide (CO) và nhiệt độ cùng hệ thống phát tín hiệu wifi. Tăng cường thêm một cảm biến nhiệt độ nhằm mục đích giảm khả năng cảm biến báo tin hiệu giả.

Với nguyên mẫu này, các nhà khoa học hy vọng sẽ chế tạo hoàn thiện một thiết bị cảm biến báo cháy rừng, có thể treo lên các ngọn cây trong rừng rậm ít người lui tới. Khi xuất hiện tín hiệu về đám cháy (khí CO, nhiệt độ), các đơn vị chống cháy rừng có thể nhanh chóng xác định tọa độ điểm báo cháy, tiếp cận khu vực và thực hiện các hoạt động cần thiết ngăn chặn cháy rừng.

Hơn thế nữa, thiết kế của nguyên mẫu này có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như tăng cường thêm cảm biến âm thanh, hình ảnh để phát hiện, theo dõi môi trường trong rừng cũng như ngăn chặn nguy cơ phá rừng bất hợp pháp.