Коптерная разведка тлеющих торфяных очагов с сенсорами на основе нано-SnO2

Актуальность

Торфяные пожары на данный момент являются одной из самых распространённых причин гибели лесов. Места возгорания нужно вовремя находить. Пешая разведка небезопасна для людей. Поэтому применяется тепловизионная коптерная разведка. Но она бывает недостаточно эффективной из-за недостаточной разницы между температурой воздуха в жаркий день и поверхности над очагом торфяника. Самое главное, если поверхность чёрная, а день безоблачный, то от поверхности отражается вся теплота от солнечной радиации, и что-либо различить невозможно. С другой стороны, на Робофесте-2019 были продемонстрированы разнообразные инженерные решения для сопряжения газоаналитических систем с БПЛА (для детектирования паров этанола). Авторы проекта решили это объединить и, кроме того, усовершенствовать сами полупроводниковые нанопокрытия, детектирующие горючие газы.

Цель

Создание «химического носа» на БПЛА для разведки тлеющих очагов в торфяниках.

Задачи

1. Спланировать конструирование узла и синтез нано-SnO₂ (сенсора).
2. Собрать и запрограммировать непосредственно весь узел-газоанализатор в таком приложении, как Tinkercad.
3. Разработать 3D-модель для крепления всего узла к БПЛА.
4. Распечатать деталь на 3D-принтере.
5. Собрать схему газоанализатора, спаять все соединения между собой, припаять питание к дрону, собрать всё это в один общий узел вместе с распечатанной деталью и другими компонентами и провести подключение.
6. Провести синтез и отмыть от хлорид-ионов гель α-оловянной кислоты, затем провести дегидратацию её до перехода в ксерогель β-SnO₂·хН₂О и получить нанокомпозит SnO₂–SiO₂.
7. Изучить методом электронной спектроскопии поглощения гель α-оловянной кислоты и продукты его модифицирования пероксидом водорода, либо изопропоксидом титана(IV), либо ацетилацетонатом железа(II).
8. Изучить влияние количества введенного пероксида водорода на электронный спектр поглощения смеси α-оловянной кислоты с ацетилацетонатом железа(III).

Оснащение и оборудование, использованные при создании работы

• Спектрофотометр ПЭ-5400УФ
• Центрифуга-вортекс ELME LV-1006
• Сканирующий зондовый микроскоп Phywe Compact Nano
• Сушильный шкаф
• Мешалка магнитная Edustrong
• Весы CAS XE-300
• 3D-принтер Phoenix

Описание

В процессе выполнения настоящей работы авторами была собрана электрическая цепь, создана и распечатана 3D-модель крепления сенсорной системы к БПЛА, зафиксирована сенсорная система на БПЛА, получена α-оловянная кислота. Получен золь ортокремниевой кислоты в этаноле (с примесью воды). Проведён синтез композита в автоклаве. Записаны электронные спектры поглощения геля α-оловянной кислоты до и после введения модификаторов, проведён анализ полученных данных.

Результаты работы/выводы

1. Изучены литературные данные, получены консультации специалистов (с точки зрения корректного выполнения синтеза – сотрудника химфака МГУ

В. К. Кривецкого) и спланированы обе части работы.

2. Собрана электрическая цепь; создана и напечатана 3D-модель крепления сенсорной системы к БПЛА.

3. Зафиксирована сенсорная система на БПЛА.

4. Получена α-оловянная кислота, отмыта от хлорид-ионов и высушена до β-SnO₂·хН₂О.

5. Проведён синтез композита в автоклаве.

6. Записаны электронные спектры поглощения геля α-оловянной кислоты до и после введения модификаторов, проанализированы полученные данные и намечены перспективы дальнейшей работы.

7. Нанесён гель α-SnO₂-Fe₂O₃ на «болванки» для сенсоров.

Перспективы использования результатов работы

Продолжить исследования, чтобы охарактеризовать и практически применить синтезированный нами сенсорный наноматериал методами БЭТ, СЭМ, РФА. Записать с него вольтамперные и вольтфарадные характеристики; нанести его на «болванку» для изготовления датчика.

Совместить возможности новой сенсорной системы, навыков пилотирования дронов и тепловизионной коптерной разведки торфяных очагов.

Получить на основе первично изученных фотосенсибилизированных гелей α-оловянной кислоты новые фотоактивируемые сенсоры.

Сотрудничество с вузом/учреждением

ДЛП ЦР

НИТУ МИСиС

Награды/достижения

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 г. – призёр.

«Экофорум» 2020 г.  – лауреат.

Московский городской конкурс проектов 2021 г. – победитель.