Unseen Frontier: Abyssal Bölgesi için Elektronik Yeniden Tanımlama
Derin okyanus, Dünya'nın en az araştırılmış sınırı, güneş ışığının başarısız olduğu bir alan ve sıcaklıklar on yıllar boyunca, araştırma sınırlarını doğrudan elektronik elektronik elektronik olarak yok etmek zorunda kalıyordu. Görevler 6.000 metreye itiyor ve enerji depolamak için hedefler – bilim adamları daha önce tahmin edilebilir, örnek ve kırılgan sualtı araçları (AUVs), ve sensör platformları birkaç dakika içinde standart ticari elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik teknolojileri yok etmek için yeniden yazılabilir.
Bu makale, bunları çözen özel mühendislik engellerini ve yenilikçi elektronik bileşenleri inceler, baskılanmış devre kurullarından binlerce metre deniz suyu aracılığıyla kirişin ışıklandırma sistemlerine kadar uzanan optik iletişim sistemlerine.
Temel Meydanlar: Standart Elektronik Neden Derinde Başarısız
Derin deniz, Dünya'daki en düşmanlı ortamlardan biridir. Yüzeyin altında kullanılan herhangi bir bileşen, yıkıcı güçlerin bir parçası ile karşı karşıyadır: aşırı hidrostatik baskı, agresif elektrokimyasal korozyon ve toprak üzerinde dalgalanan aşırı aşırı aşırılık, ancak affetmeden önce önemlidir.
Hidrostatik Baskı ve Mekanik Stres
Basınç, okyanusta yaklaşık bir atmosfer (14.7 psi) tarafından her 10 metre derinlikte artış gösterir. 4.000 metrede, derin deniz araştırmaları için tipik bir derinlik, 5800 psi. Bu işlemde en derin noktada, Mariana Trench, baskı 15.750 psi. Standart elektronik bileşenlere sahiptir - betonarmeler, kablolar ve satılan eklemler - bu yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte.
Korozyon ve Elektrokimya Degradasyon
Seawater agresif bir elektrolit. kloridatörler hemen her metale saldırır, koruyucu korozyona karşı koruyucular ve stres korozyon çatlaklarına karşı dayanıklıdırlar. Hatta soylu metaller sadece yüksek basınç ve biyofouling etkisi altında başarısız olabilir - bakımsız mikroorganizmalar birikimi.In konektörler, kablo penetratörler için, ve maruz kalan sensör yüzleri, korozyon birincil başarısızlık modudur.
Termal ve Operasyonel Kıtlar
Derinlikte, çevre sıcaklıkları 0°C ve 4°C arasında uzanır. soğuk sıcaklıklar, ısı gürültüyü azaltmak için bazı elektronik performansa fayda sağlayabilir, aynı zamanda sorunlar yaratırlar: batarya kimyası yavaşlar, yağlayıcılar kalınır ve yüzey dağıtımı (örneğin tropikal ısı) ve derin soğuk ısıda mekanik stresler ve sertleştirici bileşikler ve mühürleyiciler.
Baskı-Tolerant ve Basınç-Equalized Designs
Derin deniz elektroniklerinde en dönüştürücü değişim, baskıya karşı ağır baskı gemilerinden uzaktır ve baskıya dayalı tasarımlara doğru hareket eder. Standart bileşenler etrafında bir kale inşa etmek yerine, mühendisler bir muhafaza olmadan derinde yaşayabilecek bileşenleri inşa ederler.
Petrol-Filled Basınçlı Hesaplama Sistemleri
Kanıtlanmış bir teknik, bir dielektrik sıvısı içinde elektronikleri içerir - bir silikon yağı veya flore veya beldüşük sıvıyı - esnek bir mesane veya bellows. Akışkanlar dış baskıyı doğrudan elektrolizleri ortadan kaldırır, diferansiyel basıncı ortadan kaldırırlar.
Globally Integrated Basınç-Tolerant Electronics
Basınç tazminatı ötesinde, araştırmacılar, iç boşlukların serbest kalması ve hava katlanmaları olmadan tasarlanan bileşenler geliştiriyorlar.Bu, baskı performansı için belirli bir bileşeni seçmek ve test etmek için birçok baskı performansını içerir. Birçok entegre devre, özellikle CMOS cihazları, plastik veya seramik paketinde yerine 10.000'den fazla psiktrüğe sahip olabilir - hava boşlukları ve basınçlı basınç direnci ile tasarlanmışsa.
Kendi kendini kınayan ve Kablolar
Kablo penetratörler klasik bir zayıf noktadır. Geleneksel kauçuk-molded konektörler derinlikte sıkıştırılabilir ve sızdırılabilir. Yeni tasarımlar, deniz suyunun ingremesini engelleyen betonlu odalardan oluşan basınç-parçalı yataklar içerir.Bu yenilikler, bir araştırma gemisinin güvertesinde yeniden yapılandırılabilir veya kablolar ile yeniden yapılandırılabilir.
Korozyon-Resistant Kaplamaları ve Gelişmiş Malzemeler
Basınçlı tasarımları ağır muhafazalar, maruz yüzeyler için ihtiyaç azalırken -sensor pencereler, elektrot temasları ve konut dışları - olağanüstü korozyon direnci talep edecektir. Son materyal yenilikler yeni çözümler sağlar.
Nanoyapılı Polimer Kaplamaları
Konvansiyonel epoxy boyaları ve poliurethane kaplamaları bir bariyer sağlar ancak yüzey aralıklarında UV maruz kalma altında kalıp veya küçülebilir. Yeni nanoyapılı polimer kaplamaları, aşırı su buharı ile yüzeyleri kıran hidrofobik nanoparçacıklar içerir (süperhidrasyonlar) Bu kaplamalar klorür iyonları için temas alanını azaltır ve biyofilmler için yüksek çözünürlükte daha da zor hale getirir. Bazı formülasyonlar kendi kendini şekillendirir.
Atom Katmanı İç Koruma için Depozisyon
Basınç-tolerant elektronik içinde koruma eşit derecede kritiktir. Atom tabaka dasit (ALD) ultra-tolerant alüminyum oksit veya hafnium oksitlerin doğrudan devretme ve bileşen vücutlarına uygulanabilir. Bu kaplamalar, sadece birkaç nanometre kalınlığını nem ve iyonik bir bariyere karşı dayanıklı bir bariyer sağlar.
Titanyum ve Özel Kumaş
Titanyum, mükemmel güç ağırlık oranı ve deniz su korozyonuna yakın bir bağışıklık sağlar. Grade 5 titanyum (Ti-6Al-4V) yaygın, ancak toz metalik ve katkı maddeleri üretimdeki gelişmeler şimdi makineye kadar imkansız olacaktır.Bu yapılar baskı direncini gerektiren uygulamalar için ağırlık tasarrufu sağlar.
Enerji Depolama ve Güç Yönetimi Derinlik
Güç derin deniz görevleri üzerinde en büyük kısıtlama kalır. Piller yüksek enerji yoğunluğu, çok büyük baskı sağlar ve düşük sıcaklıklarda güvenle çalışır. batarya kimya ve sistem mimarisindeki son gelişmeler, görev süresini haftalar veya aylar ile uzatmaktadır.
Lityum-Silicon ve Lityum-Sulfur Bataryası
Geleneksel lityum-iyon aküleri iyi enerji yoğunluğu sunar ancak baskıyla ilgili konularda acı çeker: elektrolit sızıntı, iç kısa ve düşük sıcaklıklarda kapasiteyi azaltır. Lityum- ⁇ aküler, bisiklet sırasında genişleyen ve sözleşmeler kullanan bir silikon anode kullanır, ancak petrol dolu dolu baskı-kompanzelerde bu genişleme yapısal başarısızlık olmadan ağırlanabilir.
Basınçlı Battery Yönetimi Sistemleri
Batarya şarjını yöneten elektronik, deşarj ve devlet-şarıtma izlemesi, kendilerini derinlikte tutmak zorundadır. Yeni batarya yönetim sistemleri (BMS) soğuk çevreye dayanan basıncı-enerjik devre kurulları ve düşük sıcaklıklara dayanan yüksek gerilimler ile basınç algılama sistemleri ve yüksek gerilimler ile çalışır.
Enerji Üretme ve Yakıt Hücreleri
Uzun süredir dağıtımları - deniz yüzeyi gözlemleyicileri, sualtı aksanları ve moored sensör ağları - sadece yetersizdir. Araştırmacılar, organik maddeden gelen mikrobiyojen jeneratörler için güç üreten mikrobiyojenler ve sular arasındaki sıcaklık diferansiyellerini elektrikle dönüştürmek için idealdir.
Yenilikler: Optik ve Akustik Sistemler
Derin okyanustan veri almak, orada elektronik tutmak kadar zor. Geleneksel bakır kablolar sinyalin dayanıklılık, ağırlık ve korozyon ve entanglement kırılganlığı. İki teknoloji - optik ve akustik iletişim - derin deniz veri iletimini dönüştürmek.
Töve ve Tethered Systems için Optik Fiber İletişim
Uzaktan olarak kullanılan araçlar (ROVs) bir yüzey gemisine bir göz önünde bulundurularak, fiber tasarımdaki yenilikler, hidrojenin koyulaşmasına engel olan tek bir saç-düşükücüler, sinyal kaybına neden olabilir.Yeni çift zamanlı yüksek çözünürlüklü fiberler, multibeam sonlu verilerle ve kontrol sinyalleri sağlar. Fiber tasarımdaki yenilikler, hidrojenin karanlıklamasına ve sertleştirici bir şekilde dayanıklı kaplamalara izin verir.
Akustik ve Optik Kablosuz Modms
Özerk araçlar ve deniz zemin düğümleri için, yüksek geçlik ve çok hassaslık ile, yazılım tanımlı akustik modemler, su yoluyla ses dalgaları ile veri aktarıyor, ancak bant genişliği birkaç kilometre boyunca ikinci bir çok boyutlu optik modemler ortaya çıkıyor, yüksek gecikmeli LED veya lazerler ile çok yönlü akışlarda çok yönlü akışlar.
Endüktif Güç ve Data Transfer
Sualtı şarj istasyonları ve sistemleri kurmak için, indüktif darbeleme, maruz kalan elektrik kontakları için ihtiyaç ortadan kaldırır. Yeni resonant indüktör sistemler, birkaç santimetre boşluğun boşluğunda yüksek verimlilik elde eder, AUV'nın bir deniz zemin istasyonunun ve aynı manyetik alan aracılığıyla verileri şarj etmesine izin verir.Bu sistemler deniz suyunu korozyon sorunları olmadan çalışır ve kablolu observatör sistemlerde dağıtılır.
Sensör Yeniliği: Abyss'te Görme ve Cümle
Derin deniz elektroniklerinin nihai amacı, verileri toplamaktır. Yeni sensör teknolojileri, baskıya dayanıklı ve korozyona dayanıklı bileşenlerden inşa edilen, daha önce imkansız ölçümler sağlar.
Katı Devlet Kimyasal Sensörler
pH'yı ölçmek, oksijeni, karbon dioksiti ve derin denizdeki besin maddeleri geleneksel olarak yüzeye getirdi ve laboratuvarda analiz edildi. Katı-devlet kimyasal sensörleri şimdi bu ölçümleri oda içi materyallerde gerçekleştirir ve sürekli olarak su sütununu test eden profilçilere entegre edilebilirler.
Dağıtılmış Akustik ve Seismic Sensing
Deniz zemin semografisi ve pasif akustik deniz memelilerinin izlenmesi, kablonun tüm uzunluğu boyunca akustik titreşimleri tespit edebilir.Yeni fiber optik ağarmış akustik algılama (DAS) sistemleri, fiberin kendisini algılama ve erken uyarı göndermeye göre, birçok sensör düğümü olmadan eşsiz bir uzaysal çözümü analiz ederek kullanır.
Miniature Mass Spectrometri
Hidrokarbonları tespit etmek için, gazları çözün ve organik bileşikleri takip etmek için, küçük sızıntıları felaket başarısızlık olmadan tolere etmek için uygun hale getirilen minyatür kütle spektrometreler.Bu araçlar, dış baskı altında kalmaya zor olan analizleri gerektirir. Innovations, petrol dolu baskı dolu basınçlı-kompensated vakum konut ve diferansiyel pompalama sistemleri içerir.
Future Horizons: Self-Healing ve Biohybrid Systems
Önümüzdeki gibi, en hırslı yenilikler kendilerini tamir edebilecek ve hatta biyolojik sistemlerle entegre edebilecek elektronik yaratmayı hedefliyor.
Kendi kendini yaratan malzeme
Biyolojik yara iyileşmesi ile ilham verici, araştırmacılar, bir çatlaklar kırıldığında, çatlakları bir çatlaklar veya punktürden sonra elektriksel sürekliliği geri yükleyebilecek şekilde iletken polimer matrisleri ve kompozitler geliştiriyorlar.Inspired by biyolojik yara iyileşmesi, araştırmacılar, çatlaklar kırıldığında, iletken dolgunluktaki iletkenliği tekrarladılar. erken prototipler birçok hasar olaylarından sonra tekrarladılar ve bağlantı noktalarında yeniden inşa edilebilir.
Biohy Sensörleri ve Enerji Sistemleri
Başka bir sınır, canlı organizmaları elektronik ile bütünleştirmektedir. Mikrobial yakıt hücreleri zaten organik maddeden elektrik üretmek için bakteri kullanıyor ve genetik olarak tasarlanmış bakterilerin belirli kimyasallara cevap verirken, özellikle de deniz izleme sistemleri yetiştirildiği bir geleceğe doğru ilerliyorlar ve insan müdahalesi olmadan yıllar boyunca çalışabilirler.
Özerk Swarms ve Collaborative Robotics
Son olarak, Oceanografik A Özerk Sistemler Lab.Dönetici Elektronik, yüksek verimli bir güç ve akustik optik ağ, deniz zemininin büyük alanlarını haritaya sokmak, kimyasal tesisatlar veya deniz hayvan göçleri gibi projeler.Her araç, bir basınç-tolerant elektronik seti) olarak gelişmektedir ve bir araçta bulunan küçük bir sensörle dolu aUVs: deniz gözetimi, büyük bir yükleri takip etmek için büyük bir yaklaşımla sınır dışı edilir.
Sonuç: Extreme için Mühendislik
Derin deniz elektronik bileşenlerindeki yenilikler burada tarif edildi - ağır baskı gemileri ve doğrudan maruz kalmaları için, endüstri daha küçük, daha hafif ve daha zengin veriler kalabilen daha yüksek olan araçlardır.
ABD'de ve deniz-Dünya Bilim ve Teknolojisi için araştırma kurumları ), özel elektronik bileşenlerin sınırlarını zorlamaya devam ediyor, ancak derin deniz aletlerinin bir sonraki nesli muhtemelen kendini kınayan devreleri, biyohybrid sensörleri ve swarm robotları, Dünya'daki son büyük patlamamış bölgeye açılmaya devam ediyor.
[FONT:0)Explore daha fazla: [Dönetici:0)[Dönetici:0)) Daha fazla baskı-tolerant elektronik için, Kaliforniya San Diego'nun merkezi[Döneticileri için) [Döneticileri) San Diego'nun (Dönetici) üniversite Robotik Enstitüsü [Döneticileri) (Cincel optik-akotik modemler için yoğun olarak yayınlamıştır.