Разработка современных систем мониторинга и технологий контроля вредных и взрывоопасных газов
Рисунок – 3D-модель электронного сенсора
Исследовательским коллективом Казахского национального исследовательского университета имени аль Фараби разработано автономное устройство селективного газового сенсора к вредным, токсичным и взрывоопасным молекулам газа с точностью не менее 0,1 ppm с применением гетероструктурной и поверхностной модификаций наноструктурных пленок пористого кремния.
Современное развитие промышленности, энергетики и горнодобывающего комплекса сопровождается повышенными требованиями к обеспечению экологической и техногенной безопасности. Одной из наиболее острых проблем на промышленных объектах и в шахтах является своевременное обнаружение вредных и взрывоопасных газов, таких как метан, аммиак, толуол, хлороформ, оксид углерода и другие. Своевременное выявление утечек этих веществ позволяет предотвратить аварии, снизить риск взрывов и отравлений, а также минимизировать экологический ущерб.
Одним из перспективных направлений решения данной задачи является применение наноструктурированных полупроводниковых материалов, в частности пористого кремния (ПК), обладающего развитой поверхностью, регулируемой пористостью и возможностью модификации структуры для повышения чувствительности и избирательности к конкретным газам.
Казахскими учёными разработан и экспериментально апробирован селективный газовый сенсор на основе наноструктурных полупроводниковых плёнок ПК, модифицированных металлическими наночастицами и гетероструктурными слоями.
На заключительном этапе проекта разработан и протестирован функциональный макет самоорганизующейся беспроводной сети газовых сенсоров, основанной на модуле ESP32 и технологии ESP-Mesh. Каждый узел сети выполняет локальные измерения концентраций газов (NH₃, CO₂ и др.), температуры и влажности, передавая данные соседним узлам или базовой станции по Wi-Fi в режиме ad-hoc или mesh. Передача данных осуществляется по протоколам TCP/IP и MQTT, что обеспечивает совместимость с облачными IoT-платформами и возможность интеграции в промышленные мониторинговые системы. Испытания подтвердили стабильную синхронизацию узлов, минимальные потери пакетов, низкое энергопотребление и корректную работу всех модулей – от сенсора до интерфейса визуализации. Полученные результаты продемонстрировали готовность сети к масштабированию, возможность объединения множества узлов в единую IoT-инфраструктуру и применимость для систем экологического мониторинга, промышленной безопасности и «умных» зданий.
Внедрение результатов исследования позволит не только снизить риск аварий и человеческих жертв, но и будет способствовать развитию отечественных технологий в области наноматериалов, сенсорики и промышленных систем мониторинга.
Создание научных и технических основ для разработки нового поколения газовых сенсоров, сочетающих высокую чувствительность, селективность, стабильность работы и низкую себестоимость обеспечит практическую применимость результатов в реальных условиях эксплуатации на промышленных объектах, шахтах и других стратегически важных предприятиях.
Научный проект АР 19678266 Разработка селективного газового сенсора взрывоопасных и вредных веществ на основе наноструктурных полупроводников для обеспечения безопасности на производстве
Научный руководитель М.К.Ибраимов, PhD, и.о. профессора ВНС
