Исследователи из Оксфордского университета разработали датчик из сапфирового волокна, способный выдерживать экстремальные температуры и способный значительно повысить эффективность и сократить выбросы в аэрокосмической и энергетической отраслях.
В работе, опубликованной в журнале Optics Express, используется сапфировое оптическое волокно - нить из промышленно выращенного сапфира толщиной менее полумиллиметра, способная выдерживать температуры свыше 2000°C. Когда свет подается на один конец сапфирового волокна, часть света отражается обратно от точки на волокне, которая была модифицирована, чтобы быть чувствительной к температуре (известной как решетка Брэгга). Длина волны (цвет) этого отраженного света является мерой температуры в этой точке.
Исследование решает проблему 20-летней давности с существующими датчиками: хотя сапфировое волокно кажется очень тонким, по сравнению с длиной волны света оно огромно. Это означает, что свет может проходить по сапфировому волокну разными путями, что приводит к одновременному отражению множества различных длин волн. Исследователи преодолели эту проблему, написав канал по длине волокна, так что свет содержится в крошечном поперечном сечении, в одну сотую миллиметра в диаметре. При таком подходе им удалось создать датчик, отражающий преимущественно свет одной длины волны.
Первоначальная демонстрация проводилась на коротком отрезке сапфирового волокна длиной 1 см, но исследователи предсказывают, что длина до нескольких метров будет возможна с несколькими отдельными датчиками вдоль этой длины. Это позволит, например, измерять температуру во всем реактивном двигателе. Использование этих данных для адаптации условий работы двигателя в полете может значительно сократить выбросы оксидов азота и повысить общую эффективность, уменьшая воздействие на окружающую среду. Стойкость сапфира к радиации также позволяет использовать его в космической и термоядерной энергетике.
Член исследовательской группы д-р Мохан Ван, факультет инженерных наук Оксфордского университета, сказал:
'Датчики изготавливаются с использованием мощного лазера с чрезвычайно короткими импульсами, и существенным препятствием было предотвращение растрескивания сапфира во время этого процесса'
Работа является частью стипендиального гранта EPSRC в размере 1,2 млн фунтов стерлингов, предоставленного доктором Джулианом Феллсом на факультете инженерных наук Оксфордского университета, и была выполнена в партнерстве с Rolls-Royce, Управлением по атомной энергии Великобритании (удаленные приложения). в сложных условиях - RACE), Крэнфилдский университет, Halliburton и MDA Space and Robotics.
Марк Джеффрис, руководитель отдела университетских исследований Rolls-Royce plc, сказал:
'Это потрясающие новости и еще одно важное научное достижение, ставшее результатом нашего давнего партнерства с Оксфордским университетом. Это фундаментальное исследование может со временем обеспечить более эффективное и точное многоточечное измерение температуры в суровых условиях, улучшая контроль, эффективность и безопасность. Мы рассчитываем на сотрудничество с Оксфордским университетом, чтобы изучить его потенциал».
Роб Скилтон, руководитель отдела исследований RACE Управления по атомной энергии Великобритании, сказал:
'Эти сапфировые оптические волокна будут иметь множество различных потенциальных применений в экстремальных условиях термоядерной энергетической установки. Эта технология может значительно увеличить возможности будущих систем обслуживания датчиков и роботов в этом секторе, помогая UKAEA в ее миссии по обеспечению безопасной, устойчивой и низкоуглеродной термоядерной энергии в энергосистеме».
Д-р Феллс, ведущий исследование, сказал:
'Мы очень благодарны Исследовательскому совету по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC) за поддержку этой работы и рецензентам, которые увидели потенциал предложенной нами сложной работы. Сейчас мы работаем с нашими партнерами над дальнейшим развитием технологии до такой степени, чтобы ее можно было интегрировать в подходящую инфраструктуру».