Smokey the Bear zegt dat alleen jij bosbranden kunt voorkomen, maar wat als Smokey een hightech back-up had? In een nieuwe studie, een team van wetenschappers van de Michigan State University ontwierp en fabriceerde een afgelegen bosbranddetectie- en alarmsysteem dat werd aangedreven door niets anders dan de beweging van de bomen in de wind.

Zoals beschreven in het journaal Geavanceerde functionele materialen , het apparaat, bekend als MC-TENG - een afkorting voor meerlagige cilindrische tribo-elektrische nanogenerator (TENG) - wekt elektrische stroom op door energie te oogsten uit de sporadische beweging van de boomtakken waaraan het hangt.

"Zo ver we weten, dit is de eerste demonstratie van zo'n nieuwe MC-TENG als een bosbranddetectiesysteem, " zei hoofdauteur Changyong Cao, die het laboratorium voor zachte machines en elektronica aan de MSU's School of Packaging leidt en assistent-professor is aan de Packaging School en de afdelingen Werktuigbouwkunde, en elektrische en computertechniek.

"Het zelfaangedreven detectiesysteem kan de brand- en omgevingsomstandigheden continu bewaken zonder onderhoud na inzet, " hij zei.

Voor Cao en zijn team, de tragische bosbranden van de afgelopen jaren in het Amerikaanse Westen, Brazilië en Australië waren de drijvende krachten achter deze nieuwe technologie. Cao is van mening dat een vroege en snelle reactie op bosbranden de taak om ze te blussen gemakkelijker zal maken, schade en verlies van eigendommen en mensenlevens aanzienlijk te verminderen.

Traditionele detectiemethoden voor bosbranden omvatten satellietmonitoring, grondpatrouilles, uitkijktorens, onder andere, die hoge arbeids- en financiële kosten hebben in ruil voor een lage efficiëntie.

De huidige technologieën voor sensoren op afstand komen steeds vaker voor, maar vertrouwen in de eerste plaats op batterijtechnologie voor stroom.

"Hoewel zonnecellen op grote schaal zijn gebruikt voor draagbare elektronica of zelfaangedreven systemen, het is een uitdaging om deze in een bos te installeren vanwege de schaduw of bedekking van weelderig gebladerte, " zei Yaokun Pang, co-auteur en postdoc-medewerker bij Cao's lab.

TENG-technologie zet externe mechanische energie, zoals de beweging van een boomtak, om in elektriciteit door middel van het tribo-elektrische effect, een fenomeen waarbij bepaalde materialen elektrisch geladen worden nadat ze gescheiden zijn van een tweede materiaal waarmee ze eerder in contact waren.

De eenvoudigste versie van het TENG-apparaat bestaat uit twee cilindrische hulzen van uniek materiaal die in elkaar passen. De kernhuls is van bovenaf verankerd, terwijl de onderste huls vrij op en neer kan schuiven en heen en weer kan bewegen, alleen beperkt door een elastische verbindingsband of veer. Terwijl de twee mouwen niet synchroon lopen, het intermitterende verlies van contact genereert elektriciteit. De MC-TENG zijn uitgerust met verschillende hiërarchische tribo-elektrische lagen, verhoging van het elektrisch vermogen.

De MC-TENG slaat zijn sporadisch gegenereerde elektrische stroom op in een op koolstof-nanobuis gebaseerde micro-supercondensator. De onderzoekers kozen deze technologie vanwege de snelle laad- en ontlaadtijden, waardoor het apparaat voldoende kan worden opgeladen met slechts korte maar aanhoudende windstoten.

"Bij een zeer lage trillingsfrequentie, de MC-TENG kan efficiënt elektriciteit opwekken om de aangesloten supercondensator in minder dan drie minuten op te laden, ' zei Cao.

De onderzoekers rustten het eerste prototype uit met zowel koolmonoxide (CO) als temperatuursensoren. De toevoeging van een temperatuursensor was bedoeld om de kans op een fout-positieve kooldioxide-meting te verminderen.