9 января 2020

Резидент ядерного кластера Сколково разработал аппаратуру для экологического мониторинга

Сколково Сколково

В начале декабря в Кемерове и еще нескольких городах Кузбасса в очередной раз объявили режим «черного неба»: на регион опустился смог. Такая ситуация здесь случается по нескольку раз в год. Кузбасс лежит в котловане, а безветренная погода способствует накоплению в атмосфере загрязняющих веществ. Чтобы снизить объем вредных выбросов, крупные предприятия, кроме непрерывных производств, приостанавливают работу.

На заседании оперативного штаба мэр Кемерова Илья Середюк предложил план действий, способных переломить ситуацию, и среди таких мер, как проверка систем экологической защиты предприятий, перевод общественного транспорта и спецмашин коммунальных служб на газ и газификация частного сектора, в числе первых назвал «мониторинг воздуха на территории всего города».

Мониторинг окружающей среды — мировой тренд и один из основных элементов концепции «умного города», которая внедряется сейчас во всех развитых странах. Данные об источниках и уровнях загрязнения, поступающие в режиме реального времени, просто необходимы для управления хозяйственной деятельностью мегаполиса: транспортными потоками, потреблением электроэнергии, промышленным производством, поскольку точные показатели качества воздуха позволяют регулировать их работу, снижая опасные выбросы. 4 марта 2019 года стандарт федерального проекта «Умный город» был утвержден в России, став частью национального проекта «Цифровая экономика». Он включает восемь направлений, в том числе интеллектуальную систему экологической безопасности. Решение давно назрело, ведь право на благоприятную окружающую среду и достоверную информацию о ее состоянии гарантировано ст. 42 Конституции России.

Так что компания «Сомов конструкторское бюро» (резидент инновационного центра «Сколково») идет в ногу со временем: в июне 2018 года в партнерстве с компанией «МегаФон» она начала испытания станций мониторинга воздуха в московском метро, в октябре 2019-го установила три станции мониторинга на территории «Сколкова»: одну — в Технопарке, две — в жилых кварталах.

А началось все с пожарных датчиков, способных «увидеть» всего один горящий лист бумаги в помещении площадью 60 кв. м или 20 таких листов на складе площадью 15 тыс. кв. м. Чтобы сработал любой другой датчик, очаг возгорания должен быть во много раз больше.

«Когда-то мы зарекались иметь дело с противопожарной техникой,– вспоминает основатель компании "Сомов конструкторское бюро" Максим Сомов.– Считали, это не наша специализация. Но к нам обратились земляки — екатеринбургская компания "Сима-ленд", оптовый поставщик товаров из Китая. Мне позвонил директор, сказал, что они уже три года ищут оборудование, способное быстро выявить возгорание. У компании огромные склады, там ежедневно работают более 400 человек. Не дай бог, в пожаре пострадают люди. Задача выглядела амбициозной: нам предстояло создать разработку в несколько раз эффективнее существующего оборудования. И мы решили попробовать».

Ноу-хау компании Сомова основано на определении возгорания по изменению состава воздуха, прежде всего по динамике изменения в нем концентрации газов и соединений на ранней стадии пожара. Это в первую очередь водород, угарный газ (СО) и летучие органические соединения (VOC). Специалисты использовали специальный алгоритм, учитывающий динамическое изменение каждого параметра по отношению друг к другу. После успешных испытаний на различных объектах «Сима-ленд» закупил партию устройств и со временем планирует оснастить ими все свои объекты. Тогда же изобретением компании заинтересовалось Всероссийское добровольное пожарное общество (ВДПО), которое сейчас помогает разработчикам сертифицировать прибор в МЧС. Однако дело это небыстрое и может занять несколько лет.

Прибор для экологического мониторинга оказался более востребованным. Так появилась автоматическая станция мониторинга воздуха Graviton MS-600 — устройство для определения малых концентраций основных загрязнителей воздуха, в основу которого легли все перспективные наработки конструкторского бюро.

Сейчас станции мониторинга воздуха представляют собой будки с дорогостоящим лабораторным оборудованием, требующим специфического обслуживания. Цена одной автоматической станции Московской сети экологического мониторинга составляет более €150 тыс., поэтому в столице таких станций не более тридцати. А если взять Россию, то даже крупнейшая сеть для наблюдений за качеством воздуха, принадлежащая Росгидромету, охватывает всего 250 из 1200 российских городов.

Разработка «Сомов конструкторское бюро» размером не больше ручной клади, разрешенной к перевозке в самолете. А стоимость владения в течение семи лет — порядка 1,5 млн руб., включая покупку станции, ее периодическое обслуживание, расходные материалы, поверку и сервис по передаче, анализу и отображению данных на основе облачных решений. Станция может отслеживать все так называемые приоритетные загрязнители воздуха.

«Основных технических и экономических показателей удалось достичь благодаря двум основным подходам: применению современной элементной базы и низкоуровневому программированию,– объясняет Сомов.– Мы не используем в своей разработке готовые решения. Сегодня существует множество модулей преобразования сигналов газовых сенсоров, различных контроллеров, модемов. Взял три устройства, соединил, запрограммировал в доступной программной среде — и решение готово. Но, например, микроэлектронные компоненты, используемые в преобразователе, были выпущены много лет назад, когда не существовало операционных усилителей с таким низким уровнем шумов, как сейчас. И так с каждым элементом устройства».

Как пример низкоуровневого программирования Максим Сомов приводит самый обычный офисный калькулятор. По сравнению с калькулятором на смартфоне, который в качестве приложения установлен на операционную систему, он потребляет в десятки раз меньше электроэнергии, практически не зависает, его не надо каждый день подзаряжать, и стоит он на порядок дешевле. Единственное «но»: низкоуровневое программирование — куда более трудоемкий процесс, чем разработка приложений.

Спектроскопический газовый сенсор отличается высокой точностью измерений и селективностью. К недостаткам можно отнести высокое энергопотребление и ограниченное количество детектируемых газов и их концентраций. Ключевые компоненты — инфракрасный источник, измерительная камера, фильтр длины волны и инфракрасный детектор. Газ накачивается или попадает естественным образом в измерительную камеру, затем концентрация газа измеряется электрооптическим путем благодаря поглощению определенной длины волны в инфракрасном спектре (ИК). ИК-сигнал от источника обычно подается с особым прерыванием или модуляцией, чтобы фоновые температурные сигналы не создавали ненужных помех.

Что же собой представляет Graviton MS-600? Черный металлический бокс, в котором разместились модуль измерительной трубки с набором сенсоров, блок обработки данных, система температурной компенсации, источник бесперебойного питания и устройства связи. Измерительный модуль — это три типа газовых сенсоров, работающих на разных физических принципах: электрохимические (определяют концентрацию в воздухе СО, NO, O3, SO2), металлооксидные полупроводниковые (VOC, NO2, NH3, H2S), спектроскопические и оптические (CO2, РМ2,5; РМ10). Именно они позволяют отслеживать приоритетные загрязнители, по концентрации которых, собственно, и оценивается качество воздуха. Всего в приборе десять различных сенсоров.

«Оптический сенсор пыли — самый простой,– объясняет Максим Сомов.— В светонепроницаемой камере стоит генератор модулированного лазерного излучения, а перпендикулярно ему расположен фотоприемник, на который излучение лазера не попадает. Фотоприемник фиксирует только отражаемый попадающей пылью свет. Это как звезды ночью. Их размер и количество можно определить по интенсивности отраженного ими света солнца».

Сенсор способен улавливать мелкодисперсные взвешенные частицы PM2,5 (диаметром менее 2,5 мкм) и PM10 (диаметром менее 10 мкм). Это содержащаяся в воздухе смесь пыли, золы, сажи и других опасных веществ, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека.

В помещении на первом месте по опасности для человека стоит СО2. Человек при дыхании выделяет большое количество этого газа, а при недостаточной вентиляции его концентрация в помещении повышается и может вызвать ухудшение самочувствия, снижение внимания, головную боль и более серьезные последствия для организма. На втором месте — пыль. Дальше идут опасные вещества: аммиак, который может выделяться из бетонных конструкций, формальдегиды, содержащиеся в красках и лаках, летучие органические соединения. Graviton MS-600 все это улавливает.

Газовые сенсоры, измеряющие низкие концентрации веществ, подвержены влиянию внешних факторов, и это одна из главных проблем измерений на уровне существующих ПДК (предельно допустимые концентрации веществ, безопасные для человека). Для компенсации этих влияний в приборе использована в том числе программная и аппаратная температурная компенсация, позволяющая исключить влияние температуры и влажности на показания сенсоров, а также алгоритм расчета целевых показателей по перекрестной чувствительности сенсоров, работающих на различных физических принципах.

Еще одна технология базируется на разработках МИФИ в области металл-диэлектрик-полупроводниковых сенсоров, разработанных на заре ядерной энергетики для поиска утечек водорода. Ее секрет Максим Сомов не раскрывает. Главное — что внешние факторы не влияют на точность показаний и прибор может надежно работать в диапазоне температур от –40°С до +45°С.

Металлооксидный полупроводниковый сенсор имеет высокую чувствительность и быстродействие. Среди недостатков — нелинейная зависимость выходного сигнала, дрейф нуля, низкая селективность, высокое влияние метеорологических параметров и концентрации озона и кислорода. Принцип действия основан на изменении проводимости ряда полупроводников на основе оксидов олова, цинка, титана, вольфрама, индия и иридия, легированных металлами с каталитическими свойствами (палладий, платина) при повышенной температуре в присутствии анализируемых газов. Полупроводниковый материал располагается между двумя металлическими контактами поверх резистивного нагревательного элемента, обеспечивающего рабочую температуру сенсора в диапазоне 200–400 °С. На одной стороне подложки из сапфира расположен тонкопленочный платиновый нагреватель, а на другой — чувствительные полупроводниковые элементы и электроды.

Прибор демонстрирует новый подход к диагностике загрязнений воздуха. «Я бы сравнил его с подходом в телемедицине, где в основе диагностики лежит постоянный контроль за состоянием пациента,– говорит Сомов.–Так можно выявить заболевание на ранней стадии и вовремя принять меры».

Существующие станции публикуют данные не чаще чем раз в час. Информация, поступающая с них, усредняется, и важные сведения, которые можно использовать для экспресс-анализа и быстрой обратной связи в конкретных районах, оказываются недоступными.

Graviton MS-600 проводит два измерения каждого контролируемого параметра в минуту и передает данные в режиме реального времени через беспроводные сети. Это позволяет следить за состоянием атмосферы в динамике.

Не остался в стороне и Кузбасс.

«Недавно мы познакомились с представителями экологической организации из Кемерова,– рассказывает Сомов.– Губернатор Сергей Цивилев поддержал идею экоактивистов наладить мониторинг воздуха, и вскоре они нашли нас. Сейчас решаются технические вопросы. Без целевой бюджетной программы финансирования задача эта непростая, но губернатор обещал найти необходимые механизмы. Мы готовы предложить специальные условия для скорейшего внедрения нашей системы в Кузбассе. Если совместными усилиями удастся проект осуществить, уже очень скоро данные онлайн-мониторинга станут отправной точкой в улучшении экологической обстановки».