Для того чтобы контролировать  состояние объекта, новосибирские ученые предлагают использовать волоконные датчики. Сегодня они уже выполняют первый заказ, причем достижения российских левшей первыми заметили американцы. Но разработчики уверены, что на родине их идея также будет востребована, тем более что строительство — лишь одна из отраслей, где может применяться созданная ими технология. 

Во всем мире — и Россия — не исключение — в настоящий момент активно развивается рынок систем мониторинга различных строительных конструкций с использованием волоконных датчиков. Новосибирские ученые предлагают использовать для этих целей датчики, созданные на основе волоконных брэгговких решеток (ВБР). Они очень чувствительны, что позволяет системам мониторинга фиксировать малейшие изменения температуры, давления, деформации с высокой точностью, предупреждая возможные разрушения и аварии.

«ВБР — периодическая структура, сформированная в сердцевине оптического волокна, способная отражать определенные длины волн света и пропускать все остальные. Таким образом, ВБР имеет ярко выраженные свойства оптического фильтра. При создании (записи) волоконных брэгговских решеток используется следующая технология: на оптоволокно воздействуют излучением лазера, в результате чего меняется плотность сердцевины оптоволокна и, как следствие, изменяется показатель преломления волокна», — рассказывает генеральный директор ООО «Фемтотех» Александр Зеленин.

Технологией для строительной отрасли новосибирскую систему мониторинга можно называть лишь условно: в этой сфере, по задумке авторов, она будет наиболее востребованной. Но на самом деле разработка эта достаточно универсальна и производственные отрасли, где она могла бы сослужить добрую службу, довольно разнообразны. 

Фактически, чувствительные датчики могут пригодиться везде, где важно максимально точно отслеживать изменения температуры, давления, деформации. Например, на производствах с жесткими внешними условиями, требующих обеспечения высокого уровня безопасности: взрыво- и пожароопасных зонах, производствах с радиационным фоном, высокой температурой, химически активной средой. Здесь же и нефтяные скважины, активные зоны реакторов АЭС и другие опасные предприятия. Также существует возможность применения систем мониторинга при диагностике полимерных композиционных материалов, используемых в современной авиационной технике и судостроении. Можно подойти и с другой стороны, и использовать ВБР в малоинвазивной хирургии. Исследования в этой области уже проводятся.

Впрочем, на российском рынке разработчики ориентируются, в первую очередь, на строительных и промышленных потребителей. 

«В России ВБР будет востребована. Например, в области умных композитных материалов, применение которых в современном производстве неуклонно увеличивается, причем как в гражданском, так и в оборонных секторах. Уже сейчас анонсируются проекты по использованию систем мониторинга на основе оптоволоконных датчиков для нефте- и газопроводов, ведутся работы по внедрению таких систем в авиакомпозиты. Системы мониторинга с использованием волоконных брэгговских решеток эффективно применять для мониторинга состояния высотных и мостовых конструкций», — уверен руководитель проектного офиса нанотехнологического центра «СИГМА.Новосибирск» Юрий Логинов. 

В современных условиях эффективность — далеко не единственный критерий, по которому оценивается успех научной разработки. Важной характеристикой остается экономическая составляющая. И встает вечный денежный вопрос.

Авторы признаются, что технология с использованием ВБР — удовольствие недешевое. Правда, это практически разовые вложения — основные затраты приходятся на этап монтажа, в процессе эксплуатации траты минимальны: волоконные датчики не требуют дополнительного электропитания, типовое устройство опроса потребляет электрическую мощность около 100 Вт. 

Стоимость системы зависит как от характеристик самого диагностируемого объекта, так и от требований заказчика. Поэтому называть конкретные цифры в рублях производители не хотят — данные окажутся весьма приблизительными. Но в сущности, цена системы мониторинга — это цена спокойствия владельца здания или любого другого объекта: ее окупаемость будет достигаться за счет ранней диагностики потенциальных проблем через экономию на затратах, которые собственник бы понес в случае обнаружения дефектов в более поздние сроки в гораздо больших объемах.

«Система мониторинга может включать десятки датчиков деформации, которые будут размещены в ключевых или критических точках конструкции здания. Как правило, технология предназначена для строящихся домов: на этапе строительства проще и утверждать проект всего здания вместе с системами мониторинга, и монтировать волоконные линии с датчиками.  С помощью специального устройства опроса все датчики будут периодически опрашиваться системой через оптоволоконные линии. Отраженный сигнал от датчиков устройство опроса обрабатывает и выводит информацию на монитор системы в наглядном виде. В случае деформации конструкции система оперативно сообщит об этом. Чувствительность датчиков такова, что система выявляет изменение размеров конструкции величиной в десятки микрон. Это позволяет диагностировать потенциальные проблемы конструкции на ранней стадии», отмечает Юрий Логинов.   

Новосибирские ученые взяли хороший темп. Технология, которая развивается внутри проекта, была разработана в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. Относительно недавно — в 2012 году — началось ее активное продвижение и было создано ООО «Фемтотех». Основных целей у компании было две: разработка технологии записи брэгговских решеток в различные оптические волокна и коммерциализация разработанного продукта. Хотя работа еще не завершена, уже сегодня ученым удалось достичь очень многого. Как уже упоминалось, новшеством заинтересовались американцы. В настоящий момент специалисты как раз заняты реализацией этого проекта, поэтому пока не торопятся рассказывать о нем. Что же касается разработки самой технологии, то за прошедшее время ООО «Фемтотех» разработало технологию записи одиночных решеток через оболочку оптоволокна 5 модификаций, а также технологию записи последовательности из нескольких решеток в одну линию.

«Процесс записи ВБР осуществляется на готовое волокно. Особенностью технологии, разработанной нашими специалистами, является процедура записи ВБР через защитную оболочку оптоволокна. Этот метод имеет большое преимущество перед традиционной технологией записи, в которой требуется предварительно снимать защитную оболочку волокна, записывать решетку и перепокрывать место расположения решетки новой защитной оболочкой», — объясняет Александр Зеленин.

Однако дел у ученых еще много — имеются планы и на следующий год, и на оставшиеся месяцы текущего. Сегодня новаторы заняты повышением качества и скорости записываемых решеток и улучшением производительности станции записи. На будущий год намечены отработка технологии записи решеток, способных длительное время функционировать в условиях агрессивной внешней среды.

Кстати, приятно отметить, что в новосибирский проект поддерживается сверху: он был запущен при участии Новосибирского и Троицкого нанотехнологических центров, а также Центра трансфера технологии РАН и РОСНАНО — структур, которые, собственно говоря, и были созданы, чтобы прикладные научные разработки российских ученых стали реальностью..