미시간의 과학자들은 산불 경보 시스템을 개발했습니다. 화재가 시작되는 시기를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 도움을 요청할 수도 있습니다. 배터리가 필요 없는 이 장치는 나무 장식처럼 매달려 있으며 나뭇가지가 자연스럽게 흔들리는 것에서 필요한 모든 에너지를 수확합니다. 이러한 센서는 인간의 주의 없이 10년 동안 숲을 관찰할 수 있습니다.
호주 뉴캐슬의 엔지니어 Chris Knight는 “좋은 생각입니다.”라고 말합니다. 그는 호주 국립 연구 기관인 CSIRO에서 근무합니다. 그는 새로운 작업에 기여하지 않았지만 산불 센서에 대해 알고 있습니다. 몇 년 전 그는 또한 나무 동력 장치에 대한 아이디어를 개발했습니다. 이러한 시스템은 연기 냄새를 맡거나 상승하는 열을 감지하는 데 약간의 전력만 필요하다고 그는 말합니다.
차오 창용도 동의합니다. “산불 모니터링을 위해서는 많은 양의 에너지가 필요하지 않습니다.”라고 East Lansing에 있는 Michigan State University의 이 엔지니어는 말합니다. Cao는 새로운 장치로 팀을 이끌었습니다. 약 10분마다 측정할 수 있는 충분한 전력으로 자체 충전됩니다. 그는 “충분한 에너지를 생성하는 데” 충분한 시간이라고 말합니다.
화재를 감지하면 센서가 최대 1마일 떨어진 장치에 신호를 보냅니다. 해당 허브는 알람을 릴레이할 수 있습니다. Cao는 수십 또는 수백 개의 센서에서 이러한 데이터를 수집할 수 있다고 말합니다.
원격 포리스트에 대한 빠른 모니터링이 분명히 필요합니다. 매년 미국에서는 화재로 수백만 에이커가 불타고 있습니다. 9월 중순 현재 오레곤, 캘리포니아, 워싱턴에서 약 100건의 화재가 계속 발생하고 있습니다. 수만 명의 사람들이 귀중품을 챙겨 안전한 곳으로 대피해야 했습니다.
조기 발견은 또한 생명을 구할 수 있습니다. 지금 산불은 인공위성이나 소방탑에서 목격된다. Cao는 어느 쪽도 나무에 매달린 센서만큼 빠르거나 저렴하지 않다고 지적합니다.
태양광 발전도 배터리도 옵션이 아닌 경우
Cao의 그룹은 새로운 센서를 만드는 데 있어 두 가지 주요 과제에 직면했습니다. 첫째, 이들은 숲을 조사하고 신호를 보내기에 충분한 전력을 생산해야 합니다. 둘째, 그 전원은 내구성이 있어야 합니다.
첫 번째 문제를 해결하기 위해 그들은 기계적 움직임을 전기, 실제로는 정전기로 바꾸기로 결정했습니다. 정전기는 두 물질이 서로 마찰하여 전하를 교환할 때 발생합니다. 풍선을 머리카락에 문지르면 풍선이 벽에 달라붙는 이유입니다.
이를 변환하는 장치를 TENG라고 합니다. 마찰전기(Try-boh-ee-LEK-trik) 나노발전기의 줄임말입니다. 두 물질이 서로 마찰하면서 전류를 생성합니다. 과학자들은 자연계에서 에너지를 수확하는 한 가지 방법으로 TENG를 탐구했습니다. 여기에는 탁상, 떨어지는 비, 심지어 키보드에 대한 충격으로부터 에너지를 수집하는 것이 포함됩니다.
산림 사용을 위한 새로운 TENG는 두 부분으로 구성됩니다. 상단은 중첩된 실린더로 구성되어 있으며, 하나는 다른 하나 안에 있습니다. 각각은 구리 필름으로 코팅되어 있습니다. 바닥은 중첩 실린더의 유사한 배치로 구성됩니다. 그러나 이것들은 PTFE(Polytetrafluoroethylene의 줄임말)라고 하는 붙지 않는 물질로 코팅되어 있습니다. PTFE는 들리는 것처럼 외계인이 아닙니다. 많은 붙지 않는 프라이팬을 코팅하는 데 사용되는 화학 물질입니다.
상단과 하단이 서로 밀어 넣은 다음 패키지가 나뭇가지에 매달려 있습니다. 하단 실린더는 상단 부분에 부착된 고무 밴드에 매달려 있습니다. 나뭇가지가 흔들리면 위쪽과 아래쪽 원통이 함께 움직이거나 떨어져 움직입니다. 이로 인해 PTFE와 구리가 전하를 교환하여 전류가 생성됩니다. 그 전류는 작지만 화재를 알리는 온도 변화를 감지하기 위해 온도계에 전원을 공급하기에 충분합니다. (Cao는 그의 팀이 화재로 인해 발생하는 가스인 일산화탄소 감지기를 설치할 계획이라고 말했습니다.)
이 시스템을 내구성있게 만드는 방법은 더 어려운 과제였습니다. Cao의 학생들은 신축성이 있는 재료를 테스트하여 바닥 부분이 튀도록 했습니다. 재료도 튼튼해야 부서지지 않습니다. 그들은 결국 격렬한 실험실 테스트에서 살아남은 튼튼한 고무 밴드에 정착했습니다.
Cao의 팀은 2020년 8월 7일 Advanced Functional Materials에서 새로운 장치를 설명했습니다.