Инспекторы из трубок находят трещины в мостах

Ещё один мост рухнул. Теперь в Китае. Незадолго до этого мост обрушился в Штатах. Вообще же выясняется, что проблемные мосты в отдельных странах исчисляются десятками тысяч. И, разумеется, о безопасности данных сооружений говорят нынче все кому не лень.

 

 

Стало быть, на этом трагическом фоне полезно обратить внимание на перспективную разработку американских учёных.

В инженерном колледже университета Мичигана (College of Engineering) придумана новая "краска" для самолётов, мостов и различных зданий. Группа учёных под руководством профессора Джерома Линча (Jerome Lynch) разработала покрытие, которым можно "покрасить" поверхность, требующую контроля на предмет внутренних, а также поверхностных, но невидимых глазу дефектов, трещин и ржавчины.

В пресс-релизе университета отмечено, что подобное изобретение не только облегчит жизнь инспекторов, проверяющих строения и летательные аппараты визуально, но и поможет предотвратить катастрофу, схожую с той, что недавно произошла в Миннеаполисе (напомним, что там 1 августа обрушился мост через Миссисипи).

	Джером Линч — специалист в области гражданского строительства, моделирования условий эксплуатации и компьютерных наук, а также инженер-электротехник. Видимо, именно такая всесторонняя подготовка и позволила ему продумать и создать нечто подобное (фото University of Michigan).

Сегодня большинство мостов в мире внимательно изучается лишь раз в два года (а в нашей стране, пожалуй, и того реже), и тщательная проверка проводится лишь в том случае, если инспектор (на глаз) заметит некие "сигналы опасности". Самолёты и ракеты проверяются чаще, но в ходе планового осмотра сложно заметить все потенциальные проблемы.

Чтобы решить эту проблему, учёные использовали устойчивый к механическому воздействию композитный материал, который представляет собой сети углеродных нанотрубок, расположенные между слоями полимерного материала. Каждый такой слой нанотрубок способен реагировать на изменение различных параметров, например, pH, механическое напряжение проверяемой поверхности, влажность или свет.

Таким образом, данный материал обладает сенсорными свойствами и может применяться в разных областях.

Линч в сотрудничестве с профессором химического машиностроения Николасом Котовым (Nicholas Kotov) и его командой придумал, как заставить различные слои проявлять разные сенсорные свойства. Например, один слой нанотрубок стал чувствителен к изменению кислотности металла (что сигнализирует о начале коррозийного процесса), другой – к изменению напряжений внутри него.

А ведь этой трагедии можно было избежать (фото с сайта visi.com/cnn.net).

По периметру "окрашенной" поверхности специалисты расположили электрические контакты, которые соединены с микропроцессором или крошечным компьютером. Чтобы считать информацию о том, что происходит на поверхности, а также под ней, учёный (или инспектор) посылает электрический ток через слой нанотрубок. Коррозия (так же, как и различные трещины) изменяет поведение электронов, проходящих через слой, что, в свою очередь, вызывает изменение объёмной электропроводности этих слоёв.

Затем микропроцессор строит двумерную визуальную картину распределения электропроводности, на которой сразу становятся заметны любые изменения. И благодаря высокой чувствительности новинки даже те, что не видны человеческому глазу.

Одним из достижений данной группы учёных является использование метода биоимпедансной томографии (Electrical Impedance Tomography — EIT) для построения двумерной картины распределения объёмной электропроводности композита.

Внешний вид нового материала (слева): белые полосы, видимо, показывают местоположение трещин в повреждённом элементе из цемента; а так выглядит "карта" электропроводности (справа) (фото University of Michigan).

Этот метод позволяет не только определять отклик структуры на внешние факторы, но и измерять его величину.

Кстати, подробности о работе прототипа читайте в статье, опубликованной в журнале Nanotechnology.

Однако картину мало построить, её ещё надо передать. Для этого учёные предлагают систему беспроводных "узлов связи", помещённых вдоль всего моста.

Каждый такой узел также будет иметь микропроцессор, анализирующий поступающую информацию и периодически пересылающий её через беспроводную сеть на ближайший сервер. Серверный компьютер будет выделять те участки, которые требуют пристального осмотра. Кроме того, он может подавать сигналы тревоги: от предположения о необходимом ремонте до экстренного закрытия моста.

Сам образец (a) материала и "карта" проводимости материала, подверженного действию растворов с различным значением pH: (b) от 7 до 9, (с) от 7 до 5. Чем темнее цвет, тем больше проводимость (иллюстрация Jerome Lynch).

Кстати, такая система узлов разработана Линчем и его командой уже достаточно давно и даже испытывалась на мосту Geumdang в Южной Корее (смотрите PDF-документ) и на Alamosa Canyon Bridge в Нью-Мехико, США (ещё один PDF). Но это был ранний вариант системы, развитие которой далеко не окончено.

Информацию о работе этого необычного устройства можно найти в этой статье (журнал Structure and Infrastructure Engineering).

"Подобная система будет давать вам полное представление о "состоянии здоровья" моста или здания", — полагает Джером Линч.

По его словам, использование данной разработки, во-первых, значительно удешевит процесс контроля над строением, а во-вторых, может свести работу инспектора к нажиманию нужной кнопки. Система сама будет считывать данные и строить изображение, а затем передавать его по беспроводной связи инспектору.

Таким образом, удастся сэкономить не только его время, но и деньги, которые обычно тратятся на дополнительные физические проверки, не говоря уже о повышении безопасности проверяемых объектов.

Как утверждает Линч, "новизна данной разработки в том, что проверяющий человек может получить не точечную, а распределённую картину исследуемой поверхности".

Внешний вид "узлов связи" (фото Jerome Lynch, University of Michigan).

Учёный надеется, что его изобретение найдёт своё применение и во внеземном пространстве, где визуальная проверка различных поверхностей на предмет повреждений порой связана с рискованным выходом в открытый космос. В случае же оснащения некоторых из них изобретением Линча риска в работе космонавтов стало бы значительно меньше.

Правда, не только плюсы, но и минусы есть у новинки. Например, пока не ясно, какие ошибки будут появляться в картине распределения электропроводности, если считывающие электроды расположить не равноудалено друг от друга (в прошедших тестах электроды находились точно на расстоянии 2 миллиметров). Также не ясно, как огромные площади конструкций моста покрыть полимерным слоем равномерно (для правильной работы томографического анализа необходимо точно знать, какова толщина слоя "краски").

Ещё один непонятный момент: какое количество электродов понадобиться для подобных площадей? Ведь от числа электродов зависит разрешение, а значит — и точность проводимого анализа поверхности. При этом для квадрата "краски" всего лишь 25 на 25 миллиметров учёными было использовано 32 электрода.

А может ли данный материал с той же точностью анализировать состояние подводной части моста, если на него влияет влажность? (фото с сайта bridgeandtunnelclub.com).

Внешне материал непрозрачный и чёрный, видимо, чтобы на результат измерений не повлиял солнечный свет. Но что будет с ним под постоянным воздействием солнечных лучей (скажем, если мост будет в Калифорнии)? И как это отразится на результатах измерений?

Вопросов много. Но сейчас учёные работают над созданием полнофункциональной системы на беспроводных сенсорах и, по всей видимости, хотят дать таким образом на них ответы.

Кроме того, они ищут партнёров для вывода новинки на рынок. И, скорее всего, найдут, так как сегодня трещины и коррозия (как скрытые, так и внешние) угрожают более чем 73 тысячам мостов в одних только Штатах.

Статья получена: Membrana.ru